【成功案例】如何对车载仪表DC-DC开关电源电路的输出电容进行选型?

2018-09-05 世强
电容,开关电源输出电容,KTS250B685M32N0T00,KTF500B685M43NHT00 电容,开关电源输出电容,KTS250B685M32N0T00,KTF500B685M43NHT00 电容,开关电源输出电容,KTS250B685M32N0T00,KTF500B685M43NHT00 电容,开关电源输出电容,KTS250B685M32N0T00,KTF500B685M43NHT00

DC-DC电源转换器因其较高的电源效率获得了非常广泛的应用,很多设计者都将分离器件式的LDO电源换成DC-DC开关电源进行设计,而DC-DC转换器的输出电容,对实现电压转换器的输出电压稳定性起着重大作用,需要仔细进行选型。笔者将以一款车载仪表产品中DC-DC降压转换器为例,分享如何经过一系列的设计分析后从Nippon Chemi-Con(黑金刚)推出的一系列电容里选择正确合适的型号。


Buck拓扑结构

DC-DC降压转换器又称Buck电路,Buck电路的拓扑结构如图1所示,输入电压为Vin,输出电压Vout=D*Vin,其中D为开关频率的占空比:


                            

1  Buck电路拓扑结构


它的特点是:

· 把输入降至一个较低的电压

· 电感/电容滤波器滤平开关后的方波

· 输出总是小于或等于输入

· 输入电流不连续 (斩波)、输出电流平滑

· 输入输出同相


电容选型

2为Buck电路示意图,C为输出电容(可表示为Cout),ic(t)为输出电容Cout上流过的电流,iL(t)为电感L上的电流,VIN、 Vout分别是输入电压、输出电压,iR(t)为负载电流,RLOAD为负载。


 

2  Buck电路示意图


3是Buck电路输出电容上的电压电流变化图:


3   Buck电路输出电容的电压电流图


笔者设计的车载仪表DC-DC降压转换器电路见图4,使用的电源IC为LMR14030DQDPRRQ1,电容Cout从厂商黑金刚里一系列的电容型号里选择(详见图5),电路的输入电压Vin=14V,输出电压Vout=5V; Iout 为后续负载需求电流的最大值,其值为1.5A;ΔIL是电感里纹波电流的变化量,一般取Iout20%~30%,因此可取ΔIL的范围为0.3A~0.45A ;另外,它的开关电源频率为fsw,可知由公式 fsw=1/T  ;电感L为4.7uH  。                                                                      

图4  车载仪表5V 开关电源电路


从电源芯片 LMR14030DQDPRRQ1的使用手册上获知其开关频率fsw为200KHz~2.5MHz,为避免fsw干扰车上收音机(收音机FM频率最高1.8MHz),因此fsw大于1.8MHz,取值2.2MHz。


输出电压波动由下面3个部分组成:


1.输出电容的ESR引起的纹波VORIPPLE

本项目VORIPPLE控制在5%*5V=0.25V以内, 根据电荷公式Q=CV=it,由图3可知,三角形阴影部分的面积就是半个周期内输出电容上的电荷增量,时间b=1/(2fsw),高为h=ΔIL/2这里的ΔIL为电流纹波IRIPPLE,本文前半部分已说明本项目的ΔIL0.3A~0.45A,因此有Cout*ΔV > b*h,即:



把各参数值代入上式得:

Cout  > 0.1uF


2.输出电流变化ΔI引起的电压变动ΔV

这种情况属于电流跳涨时,输出电压会下降幅,但降幅一般需要控制在正常电压的5%以内,本项目ΔV为5V*5%=0.25V,但开关电源的输出电压会根据输出反馈进行调整,本项目规定的是2个周期内电源会根据输出反馈把输出电压从低压调整会正常值,意味着2周期(2T)内输出电压的下降值不得超过0.25V,考虑临界值,根据公式CV=it,有

Cout  > (ΔIout * 2T)/ ΔVout


2T=2/fsw,且设最严苛情况电流从0跳升到最大1.5A则ΔIout=1.5A,把以上各参数代入上式得:

Cout  > 5.4545uF


3.负载由重载变化到轻载,引起的输出电压过冲

重载变化到轻载,电感中的能量释放引起输出电压升高,此时电压最大值设为Vf(本案例Vf为正常值的110%即5.5V)Vi为输出电压正常值5V,则有公式:



最严苛时,可假设IOH1.5A,IOLIOH的一半(即0.75A),而Lo为电感值4.7uH,把以上各参数代入上式可得:

Cout >1.51uF


电容需取以上3种情况下的最大值,因此Cout  > 5.4545uF,因此图5中4.7uF的KTS250B475M32N0T00不符合要求。


除了以上3种因素考虑外,输出电容的成本、尺寸(关系占板空间)、额定直流电压、ESR也跟选型有关系。输出电容器的有效串联电阻(ESR)会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压,而设计时应当选用ESR尽可能低的电容器,因此有:



IRIPPLE取上限值0.45AVORIPPLE0.25V,可得:


输出电容必须RESR < 0.555ohm


可知图5中所有型号的电容其ESR值均符合要求,温度特性方面也均符合汽车电子的要求;


成本方面,容值越大价格也更高,因此10uF 可以不予考虑。


黑金刚备选电容:KTS250B685M32N0T00,KTS250B475M32N0T00,KTF500B685M43NHT00,KTS250B106M43N0T00


5  黑金刚电容型号图


综上所述,经过上面方面选型对比后,只有6.8uF的KTS250B685M32N0T00KTF500B685M43NHT00满足要求,它们的尺寸不一样,考虑到尺寸越大价格会贵些,且尺寸越大,布线上的回流环路会越大,会导致EMC恶化,因此笔者最终选择了黑金刚的KTS250B685M32N0T00作为本项目DC-DC降压电路的输出电容。


从上述选型过程可知,KTS250B685M32N0T00能被选中,是因为它具有以下几个非常明显的优势:

(a)小尺寸。它的尺寸在几种型号中最小,可以大幅度改善EMC性能,迎合了本项目的EMC关切;

(b)容值符合性能和价格的需求。众所周知,容值越大价格一般也越贵,它的容值既切合性能要求,又在几个型号中属于比较小的容值;

(c)低ESR。它的ESR值只有0.02ohm,远远小于别的供应商同类产品,能大幅度减小输出电压波动,降低发热量;

(d)它的温度特性满足汽车电子的需要。

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  • 用户85806204 Lv7. 资深专家 2018-11-26
    学习
  • zxm123 Lv3. 高级工程师 2018-11-22
    学习
  • 太皇太后有喜啦 Lv4. 资深工程师 2018-11-20
    学习了
  • 开哥哥 Lv7. 资深专家 2018-11-14
    不错
  • hua Lv4. 资深工程师 2018-11-11
    不错
  • 不悔流水 Lv5. 技术专家 2018-11-09
    学习学习一下
  • HQT45 Lv4. 资深工程师 2018-11-09
    怎样减小电压纹波
  • 毛毛雨 Lv3. 高级工程师 2018-11-08
    学习
  • alice Lv4. 资深工程师 2018-11-07
  • 九州同路人 Lv8. 研究员 2018-11-07
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产品型号
品类
系列
直径(mm)
长度(mm)
高度(mm)
引脚类型
电压(V)
容值(uF)
电容容差
最小工作温度(℃)
最大工作温度(℃)
KTS250B105K31N0T00
贴片型MLCC
NTS Series
3.2mm
1.6mm
1.8mm
Chip
25V
1uF
±10%(K)
-55℃
125℃

选型表  -  Nippon Chemi-Con 立即选型

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【产品】金属支架型多层陶瓷电容器,工作温度最高125℃吸收噪音能力强

NIPPON CHEMI-CON 公司的NTJ系列低ESR、引线型金属支架型多层陶瓷电容器,符合ROHS2、AEC-Q200标准,最适合用于开关模式AC-DC或DC-DC转换器的平滑电路、车载电源、各种设备的噪音抑制器等领域。NTJ系列电容器额定电压为25V、50V、100V、250V,其工作温度范围是-55℃~125℃,静电容量范围1.0~100μF。

2018-04-27 -  新产品 代理服务 技术支持 采购服务
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品牌:Nippon Chemi-Con

品类:贴片型MLCC

价格:¥2.7873

现货: 1,580

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:贴片型MLCC

价格:¥3.5254

现货: 800

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:贴片型MLCC

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品牌:Nippon Chemi-Con

品类:贴片型MLCC

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品牌:Nippon Chemi-Con

品类:Aluminum Electrolytic Capacitors

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现货: 200,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:引线型铝电解电容器

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现货: 200,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:Aluminum Electrolytic Capacitor

价格:

现货: 200,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:引线型铝电解电容器

价格:¥2.9263

现货: 200,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:引线型铝电解电容器

价格:

现货: 200,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:贴片型铝电解电容器

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现货: 185,500

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品牌:Nippon Chemi-Con

品类:引线型铝电解电容器

价格:¥0.7560

现货:180,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:引线型铝电解电容器

价格:¥1.0170

现货:38,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:高温品引线型铝电解电容器

价格:¥3.3000

现货:30,000

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:牛角型铝电解电容器

价格:¥10.1970

现货:4,995

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:高温品贴片型铝电解电容器

价格:¥3.0200

现货:2,235

品牌:Nippon Chemi-Con

品类:导电性高分子固态贴片型铝电解电容器

价格:¥5.2600

现货:774

品牌:MURATA

品类:陶瓷电容

价格:¥0.0366

现货:1,083,770

品牌:风华高科

品类:贴片电容

价格:¥0.0080

现货:992,000

品牌:风华高科

品类:贴片电容

价格:¥0.0018

现货:900,000

品牌:风华高科

品类:贴片电容

价格:¥0.0026

现货:900,000

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PD/QC快充测试

满足150W内适配器、PD快充、氮化镓快充等主流产品测试需要;并可查看被测开关电源支持协议,诱导多种充电协议输出,结合电子负载和示波器进行高精度测试。测试浪涌电流最大40A。支持到场/视频直播测试,资深专家全程指导。

实验室地址: 深圳 提交需求>

高频变压器定制

可定制平板变压器、主变压器的开关频率2MHz以内、输入电压1400V以内、输出电压1400V以内,50%以上的产品采用自动化生产,最快3天提供样品、7天交货。

最小起订量: 3000 提交需求>

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授权代理品牌:接插件及结构件

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