【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?
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:
图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
图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。
图2 Buck电路示意图
图3是Buck电路输出电容上的电压电流变化图:
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Iout的20%~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ΔIL为0.3A~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
而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IOH为1.5A,IOL为IOH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0.45A,VORIPPLE为0.25V,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
图5 黑金刚电容型号图
综上所述,经过上面几方面选型对比后,只有6.8uF的KTS250B685M32N0T00、KTF500B685M43NHT00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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黑金刚MLCC多层陶瓷电容选型表
提供黑金刚(Nippon chemi-con)多层片式陶瓷电容(MLCC)产品选型。安装方式分为贴片型(SMD),引线型(Radial Lead),金属盖型(Metal Cap),常规品范围在-55℃~150℃(X7R-X8L),额定电压范围从25V~500V,容量范围从0.01uF~470uF
产品型号
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品类
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系列
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直径(mm)
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长度(mm)
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高度(mm)
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引脚类型
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电压(V)
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容值(uF)
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电容容差
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最小工作温度(℃)
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最大工作温度(℃)
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KTS250B105K31N0T00
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贴片型MLCC
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NTS Series
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3.2mm
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1.6mm
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1.8mm
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Chip
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25V
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1uF
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±10%(K)
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-55℃
|
125℃
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选型表 - Nippon Chemi-Con 立即选型
【经验】揭秘影响电解液电容ESR的因素
本文基于以Nippon Chemi-con铝电解电容EMZA6R3ARA221MF61G介绍影响电解液电容ESR的因素。
【经验】一篇文章告诉你电解电容ESR对电容吸收效果的影响
ESR越小的电容,电容吸收效果越好。NIPPON CHEMI-CON(黑金刚)生产的混合电解电容和高分子固态电解电容都有标示出ESR值,甚至低ESR铝电解电容也有把ESR给标示出来,让工程师在选择电解电容时更加明朗。
超级电容选型:可达几百万周期充放电的黑金刚牌超级电容,内部阻抗最大降低1/3
Nippon Chemi-Con黑金刚的超级电容通过在电极中使用比表面积较大的活性炭,以及利用本公司的高密度电极制造技术,实现了兼顾高容量和低阻抗、胜于电池、电气特性优异的电极。其超级电容器产品的内部阻抗最大降低1/3,耐热温度扩大为-40~85℃。
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型号- DDXE2R5LGL401KB65S,DDXE2R5LGN801KBA5S,DDXE2R5LGN401KB65S,DDXE2R5LGN142KBF0S,DDXF2R8LHM3B2EDH2V,DDKA2R5ELL500KM50T,DDKG□□□E□□□□□K□□□□,DDXE□□□LG□□□□K□□□□,DXG系列,DKA,DXE系列,DDKA2R5ELL210MM26T,DDKA2R5ELL500KM50S,DDKA2R5ELL210MM26S,DDXF□□□L□M□□□E□□□□,MDKA2R5T500PN1111A,DKG,DKA系列,DDXG2R5LGN911EBF0S,DDKG2R7ELL500KM40T,DDXG2R5LGN301EB65S,DKG系列,DDXG□□□LGN□□□E□□□□,DXE,DXG,DXF,DDXE2R5LGN122KBF0S,DDXG2R5LGN591EBA5S,DDXE2R5LGL142KBF0S,DXF 系列,DDKA□□□E□□□□□K□□□□
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品牌:Nippon Chemi-Con
品类:Aluminum Electrolytic Capacitor
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现货: 200,000
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