任何不给公式的元器件选型都是耍流氓

01、简介 

开关电源的滤波电容到底怎么选择？

只能凭经验估计吗？有没有具体计算方式？我查到的所有资料，都说考虑ESR，大电容小电容并联，没有一个给出具体计算方式的，全是套话，跪求大佬给个指导。

容值到底怎么选？并电容并几个大的几个小的？开关电源输入端怎么滤波？输出端怎么滤波？

上图所示，某平台提问或者也有私信问我，问题是：输入输出电容放置多大容量，是否有什么依据？

“电源先生”的回答是：当然是有公式可以计算的，任何不给公式的元器件选型都是耍流氓。退一步讲，我们可以不必计算，但是不可以不懂计算原理。或者，借用电影《钱学森》中台词：手上没有剑，和有剑不用，不是一回事。

此文，基于BUCK TPS54561DPRT规格书实例，分析如何确定输出电容量？如何确定输出电容ESR大小？

02、如何确定输出电容量？

上图所示，是TPS54561DPRT规格书中针对buck电路输出电容选型的描述。可见，(35)(36)(37)三个公式对输出电容量的要求分别为62.5uF、44.1uF和19.9uF，所以输出端针对电容量，要求不小于62.5uF。

公式(38)计算了输出电容ESR需要小于15.7mOHM，公式(39)计算了输出电容RMS电流为459mA，实际选择的输出电容的RMS电流需要大于459mA，才可以满足设计要求。

上图所示，3*47uF=141uF，10V耐压，ESR为5mOHM，考虑降额后的容值为87.4uF，可以满足输出电容至少62.5uF这个设计需求。

03、输出电容选型的具体步骤

(1) 满足负载由“轻”到“重”的动态响应需求，即抑制负载阶跃时的输出电压变化量所需的电容器容值大小

具有较小ESR的陶瓷电容不需要考虑进负载阶跃计算中；但是，具有较高ESR的电解电容和钽电容则必须被考虑进负载阶跃计算中。公式35计算了满足设计参数中负载调整率而需要的最小电容，即负载阶跃从1.25A至3.75A变化时，输出电压变化量不超过4%或4% * 5.0V = 200mV。

(2) 满足负载由“重”到“轻”的动态响应需求，即抑制输出电压上的过冲所需的电容器容值大小

TPS54561DPRT规格书实例中，根据设计需求，最坏情况下的负载阶跃为IOH=3.75A（重负载下的输出电流）至IOL=1.25A（轻负载下的输出电流），在此期间，因为负载电流是减小的，储存在电感中的多余能量将临时转移到输出电容上，导致输出电压增加。我们要求此时输出电压增加量不超过输出电压的4%，即输出电压上冲后允许的最大值为(1+4%) * 5.0V = 5.2V，这就是峰值输出电压Vf。因为稳态时输出电压是Vout=5.0V，所以初始电容电压Vi=5.0V。

公式36计算了将输出电压过冲保持在所需值的最小电容，其中LO是电感的值，IOH是重负载下的输出电流，IOL是轻负载下的输出电流，Vf是峰值输出电压，Vi是初始电压。

基于以上数据，计算得到所需的输出电容为44.118uF。其中，功率电感7.2uH是在“5.6 功率电感的选型”章节中进行配置的。

(3) 满足电路设计需求中的纹波电压范围，即抑制输出电压上的纹波电压所需的电容器容值大小

TPS54561DPRT规格书实例中，我们将输出电容种类确定为陶瓷电容MLCC，所以由陶瓷电容ESL和ESR导致的纹波电压分量可以忽略不计，输出端的纹波电压主要由电容充放电导致。

当功率电感取值7.2uH时，输出端纹波电流为 ΔIL = [ 5V * ( 60V - 5V )] / ( 60V * 7.2uH * 400kHz ) = 1.59A。根据设计需求，纹波电压大小为 ΔVripple(C) = 0.5% * 5V = 25mV。

由 “3.2.4.4 输出电容COUT纹波电压”计算公式 ΔVripple(C) =  ΔIL / ( 8 * Cout * Fsw ) 可知，在已知纹波电压大小0.025V、纹波电流大小1.59A和开关频率400kHz的情况下，就可以计算出所需输出电容的容值大小，如下所示：

(4) 以上三步就是确定BUCK电路输出电容值大小的方法：根据不同的电路设计参数需求计算得到，选择计算结果最大的，且考虑降额使用。

比如，此文中TPS54561DPRT规格书实例，最后选择3 * 47uF = 141uF，考虑降额后的容值为87.4uF，可以满足输出电容至少62.5uF（三个计算结果中的最大值）这个设计需求。

04、如何确定输出电容ESR大小？

如第5.6章节所述，“降压电路中功率电感上的纹波电流会被后级的输出电容吸收或过滤”，只要输出电容有ESR这个参数，电流与电阻的乘积就是电压，即输出电容ESR引起的纹波电压的表达式 ΔVripple(ESR) = ΔIL * ESR。

TPS54561DPRT规格书实例中，要求正常工作时的纹波电压不超过 0.5% * 5.0V = 25mV，前文已知纹波电流为1.591A，所以此例允许的最大ESR计算如下：

这就是确定输出电容ESR的方法。

05、小结 

(1) 此文，基于TPS54561DPRT规格书实例，分析了BUCK电路确定输出电容量、ESR的方法；TI很多器件规格书中都会给出具体的计算方法，很多国产芯片也会给出对应的计算公式。

(2) “电源先生”的观点是，一切皆可计算。如果不能精确计算，然后精确控制，那火箭就无法上天。