减少 DCDC 开关稳压器的 MLCC 数量方案

1.前言

多层陶瓷电容器 (MLCC) 在电子电路中很受欢迎，特别是用于去耦电源。

但由于 2018 年开始，大尺寸 MLCC 的市场严重短缺，因此变得更难采购。到目前为止采购起来都比较困难。

因此，我正在寻找减少 DC/DC 开关稳压器中 MLCC 数量的方法。

2. 具体方案

大限度减少 DC/DC 开关稳压器的 MLCC 数量的一种选择是选择一种能够使用较少外部电容器工作的器件。

另一种选择是选择具有 TI D-CAP+™ 控制模式的 DC/DC 开关稳压器。增加开关频率也有助于减少电容器数量。例如，将TPS563201的开关频率从 580 kHz 增加到 1.4 MHz 导致TPS563249的设计减少了一个电容器。

今天来研究一下减少 DC/DC 稳压器的 MLCC 数量的选项考虑了使用替代技术。

最常见的替代技术类型是薄膜、铝（液体和聚合物）和钽（固体和聚合物）。每种技术都有其优缺点，包括它们的电容、电压范围、等效串联电阻 (ESR)、尺寸和额定电流。

在为 DC/DC 开关稳压器选择电容器时，ESR 通常是最大的区分因素，因为它越高，输出电压纹波、发热和输入噪声就越多，这就是为什么 MLCC 很受欢迎的原因，因为它们通常具有最低的 ESR。铝聚合物电容器与 MLCC 具有几个共同特征，并且具有足够低的 ESR，可以在设计人员中替代 MLCC。

图 1：各种电容器技术的 ESR

铝聚合物电容器的一个缺点是它们比 MLCC 大。使用提供印刷电路板 (PCB) 布局信息的WEBENCH® 电源设计器工具时，我们可以在图 2 中看到，如果您用一个铝聚合物电容器替换TPS568215同步降压转换器的五个输出 MLLC，则两种解决方案占用相似表面积。

图 2：在 WEBENCH 电源设计器工具中将 MLCC 替换为用于 TPS568215 的铝聚合物电容器

现在的问题归结为性能。铝聚合物电容器与MLCC相比如何，它们能否在不迫使设计人员做出太多妥协的情况下真正取代MLCC？

为了得到一个粗略的想法，我使用了 WEBENCH Power Designer 工具来模拟一些负载瞬态响应。如图 3 所示，在输出端使用铝聚合物电容器而不是 MLCC 会使输出电压纹波增加十倍。因此，如果您需要良好的性能，仅用铝聚合物电容器替换 MLCC 不是一个可行的选择。

图 3：在带有输出 MLCC 的 TPS568215 的 WEBENCH 电源设计器工具上运行的负载瞬态仿真 (a)；和铝聚合物电容器 (b)

如何结合 MLCC 和铝聚合物电容器来帮助降低电压纹波，同时最大限度地减少 DC/DC 开关稳压器的陶瓷数量？为了确定这一点，我使用TPS568215 评估模块 (EVM)进行了一些真实的 PCB 测试。该策略首先对 EVM 的初始配置运行一些测试，通过将输入电压纹波、输出电压纹波、负载瞬态响应、启动响应和关闭响应与数据表中的数据进行比较来验证测试设置。然后，我在 EVM 的输入和输出端尝试了不同的电容器配置。

显示出与初始配置最接近的结果的两种设置是混合使用铝聚合物电容器和 MLCC，如图 4 所示，其中图 4a 中的设置测试了输出电压纹波，图 4b 中的设置测试了输入电压波纹。

图 4：TPS518215EVM 设置，其中一个铝聚合物电容器与输出端的一个 MLCC 并联（a）；一个铝聚合物电容器与输入端的三个 MLCC 并联 (b)

测试是在 12V 输入和 8A 负载下执行的。看到输入和输出的电压纹波增加并不奇怪，但比仅使用铝聚合物电容器时要小。

输出电压纹波从 8 mV 变为 14 mV，如图 5 所示，而输入电压纹波从 13 mV 变为 24 mV，如图 6 所示。

查看原始电容器配置与混合配置的 ESR 值可以解释发生这种情况的原因。对于输入设置，并联使用四个 MLCC 时的总 ESR 为 0.57 mΩ，而使用两个 MLCC 与一个铝聚合物电容器并联时的总 ESR 为 1.08 mΩ。对于输出设置，并联使用四个 MLCC 时的总 ESR 为 1.05 mΩ，而使用一个 MLCC 与一个铝聚合物电容器并联时的总 ESR 为 1.57 mΩ。

图 5：具有四个并联 MLCC 的 TPS518215EVM 的输出电压纹波 (a)；一个铝聚合物电容器与一个 MLCC 并联 (b)

图 6：具有六个并联 MLCC 的 TPS518215EVM 的输入电压纹波 (a)；一个铝聚合物电容器与三个 MLCC 并联 (b)

正如我在本文中所展示的，减少 DC/DC 开关稳压器的 MLCC 数量的一种方法是用铝聚合物电容器替换其中的一些。不用说，您将需要进一步的测试来检查这种混合电容器配置的性能是否仍然符合您的设计要求。每个电容器都有自己的特性，每个设计都有自己的要求，但是当 MLCC 供不应求时，这种替代方案绝对值得牢记。