【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？

时间： 2018-09-05 来源：世强

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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：

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，V_IN、 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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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

好
九州同路人 Lv8. 研究员 2018-11-07

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描述- NIPPON CHEMI-CON （贵弥功株式会社公司，或称：CHEMI-CON、NCC、贵弥功，俗称黑金刚）创立于1931年，总部位于日本，是铝电解电容器的顶级制造商，全球市场占有率位列首位，同时，在铝电极箔的生产方面，其产量也位居世界第一。

型号- 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描述- 超级电容器（Electric Double Layer Capacitor）和一般的二次电池比较，可以承受大电流的充放电，是充放电周期寿命优良的蓄电器件。近年，能源问题（石油减少·消费电力减少·CO2减少·新能源的有效利用）受到了重视，作为新的用途而搭载超级电容器的探讨研究正在进行之中。此外，伴随着移动手段的电动化，混合动力汽车和燃料电池车中，以能源的有效利用为目的的超级电容器搭载的研讨也在加速进行。日本贵弥功在积极的推进以节能·低环境负荷为目的的商品化，其中，超级电容器就是环境保护型的代表性产品。日本贵弥功可提供从数十F～数千F容量范围的产品，来满足客户广泛的需求。

型号- DDXE2R5LGL401KB65S,DLCAP™DKG,DDXE2R5LGN801KBA5S,DLCAP™DXE系列,DLCAP™DKA,DDXE2R5LGN401KB65S,DLCAP™DXG系列,DDXE2R5LGN142KBF0S,DLCAP™DXF系列,DLCAP™DXG,DLCAP™DXF,DLCAP™DXE,DLCAP™DKG系列,DDKA2R5ELL500KM50T,DDKG□□□E□□□□□K□□□□,DXF系列,DDXE□□□LG□□□□K□□□□,DXG系列,DDXF2R8LGM3B2EDH2S,DXE系列,DKA,DDKA2R5ELL500KM50S,MDKA2R5T500PN1111A,DDXF□□□L□M□□□E□□□□,DKG,DKA系列,DDXG2R5LGN911EBF0S,DDKG2R7ELL500KM40T,DLCAP™DKA系列,DDXG2R5LGN301EB65S,DKG系列,DDXG□□□LGN□□□E□□□□,DXE,DXG,DXF,DDXE2R5LGN122KBF0S,MDXE7R5S131PB3111B,DDXG2R5LGN591EBA5S,DDXE2R5LGL142KBF0S,DDKA□□□E□□□□□K□□□□,MDKA150S8R3PE6111A,MDXE7R5S461PB3111B

2023/10/5 - NIPPON CHEMI-CON - 选型指南 - Ver.2 代理服务技术支持批量订货

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	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

Nippon Chemi-Con（黑金刚）超级电容器DLCAP™选型指南（中文）

目录- 超级电容器的技术和应用超级电容器系列 DLCAP™ 模块超级电容器注意事项

型号- DDXE2R5LGL401KB65S,DDXE2R5LGN801KBA5S,DDXE2R5LGN401KB65S,DDXE2R5LGN142KBF0S,DDKA2R5ELL500KM50T,DDKG□□□E□□□□□K□□□□,DXF系列,DDXE□□□LG□□□□K□□□□,DDXF2R8LGM3B2EDH2S,DXG系列,DKA,DXE系列,DDKA2R5ELL500KM50S,MDKA2R5T500PN1111A,DDXF□□□L□M□□□E□□□□,DLCAP™,DKG,DKA系列,DDXG2R5LGN911EBF0S,DDKG2R7ELL500KM40T,DDXG2R5LGN301EB65S,DKG系列,DDXG□□□LGN□□□E□□□□,DXE,DXG,DXF,DDXE2R5LGN122KBF0S,MDXE7R5S131PB3111B,DDXE2R5LGL142KBF0S,DDXG2R5LGN591EBA5S,DDKA□□□E□□□□□K□□□□,MDKA150S8R3PE6111A,MDXE7R5S461PB3111B

2023/6/12 - NIPPON CHEMI-CON - 选型指南代理服务技术支持批量订货查看更多版本

Nippon Chemi-Con（黑金刚）超级电容器DLCAP™选型指南（中文）

目录- 超级电容器

型号- DDXE2R5LGL401KB65S,DDXE2R5LGN801KBA5S,DDXE2R5LGN401KB65S,DDXE2R5LGN142KBF0S,DDKA2R5ELL500KM50T,DDKG□□□E□□□□□K□□□□,DXF系列,DDXE□□□LG□□□□K□□□□,DDXF2R8LGM3B2EDH2S,DXG系列,DKA,DXE系列,DDKA2R5ELL500KM50S,MDKA2R5T500PN1111A,DDXF□□□L□M□□□E□□□□,DKG,DKA系列,DDXG2R5LGN911EBF0S,DDKG2R7ELL500KM40T,DDXG2R5LGN301EB65S,DKG系列,DDXG□□□LGN□□□E□□□□,DXE,DXG,DXF,DDXE2R5LGN122KBF0S,MDXE7R5S131PB3111B,DDXE2R5LGL142KBF0S,DDXG2R5LGN591EBA5S,DXF 系列,DDKA□□□E□□□□□K□□□□,MDKA150S8R3PE6111A,MDXE7R5S461PB3111B

2022/10/13 - NIPPON CHEMI-CON - 选型指南代理服务技术支持批量订货

Nippon Chemi-Con（黑金刚）超级电容器DLCAP™选型指南（中文）

目录- 超级电容器

型号- DDXE2R5LGL401KB65S,DDXE2R5LGN801KBA5S,DDXE2R5LGN401KB65S,DDXE2R5LGN142KBF0S,DDKA2R5ELL500KM50T,DDKG□□□E□□□□□K□□□□,DXF系列,DDXE□□□LG□□□□K□□□□,DDXF2R8LGM3B2EDH2S,DXG系列,DKA,DXE系列,DDKA2R5ELL500KM50S,MDKA2R5T500PN1111A,DDXF□□□L□M□□□E□□□□,DKG,DKA系列,DDXG2R5LGN911EBF0S,DDKG2R7ELL500KM40T,DDXG2R5LGN301EB65S,DKG系列,DDXG□□□LGN□□□E□□□□,DXE,DXG,DXF,DDXE2R5LGN122KBF0S,MDXE7R5S131PB3111B,DDXE2R5LGL142KBF0S,DDXG2R5LGN591EBA5S,DDKA□□□E□□□□□K□□□□,MDKA150S8R3PE6111A,MDXE7R5S461PB3111B

2022/5/9 - NIPPON CHEMI-CON - 选型指南代理服务技术支持批量订货

【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。

2018-04-13 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【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。

2018-05-10 - 设计经验代理服务技术支持批量订货

【元件】黑金刚新推大型铝电解电容器KHU系列，额定电压范围475、500V，静电容量范围120～950μF

黑金刚大型铝电解电容器KHU系列，小型化，长寿命，用于服务器电源和光伏发电，保证105℃、3000 小时 (叠加纹波电流)，额定电压范围475、500V、静电容量范围120～950μF，工温-40到105℃。

2023-03-31 - 新产品代理服务技术支持批量订货

【产品】静电容量范围为120～900μF的大型铝电解电容器LHU系列，保证105℃ 5,000 小时（叠加纹波电流）

Nippon Chemi-Con推出大型铝电解电容器LHU系列，具有小型化，长寿命的特点，RoHS2适应品。该系列为可应用于服务器电源和光伏发电的高耐压产品，保证105℃ 5,000 小时 (叠加纹波电流)，额定电压范围为475、500Vdc、静电容量范围为120～900μF，工作温度范围-40℃~+105℃。

2023-03-01 - 产品代理服务技术支持批量订货