从0到1设计BUCK(7)：BUCK降压电路输出电容选型方法1

01、/ 简介 /

图 0.1 非同步BUCK转换器拓扑

图 0.1所示，是（TPS54561DPRT）非同步BUCK转换器拓扑，已经内置了高边开关管，关键的外围元件包括功率电感、续流二极管、输出电容和输入电容。

[ 从0到1设计BUCK(5) | 电流纹波系数选择，功率电感计算优化指南 ]完成了功率电感选型，[ 从0到1设计BUCK(6) | 非同步BUCK降压电路续流二极管选型准则 ]完成了续流二极管选型。

此文进行输出电容选型，上篇。

02、/ 输出电容取值的考量因素 /

(1) 首先，要满足电路设计需求中的动态响应（负载调整率的要求），即负载由“轻”到“重”时，为负载提供足够的能量，而不使输出电压产生较大的下冲（Undershoot），即负载变化时输出电压的变化量不超过目标值。

(2) 其次，当负载由“重”到“轻”时，能够吸收功率电感上储存的能量，而不使输出电压产生较大的上冲（Overshoot），将输出电压上的过冲抑制在设计需求之内。

(3) 再次，要满足电路设计需求中的纹波电压范围，将纹波电压“钳位”在设计需求之内。

比如，设计需求输出纹波电压峰峰值为100mV，按照相应的设计方法选择输出电容种类和容值大小，使得输出端的纹波电压峰峰值不超过100mV，就是这里所谓“钳位”的意思，与钳位二极管将电压钳位在一定的水平类似。

(4) 最后，所选型的电容，容值、ESR和均方根电流都要满足设计需求。

03、/ 满足负载由“轻”到“重”的动态响应需求 /

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。

参考TPS54561规格书，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。

这里， 400kHz开关频率配置方法，参考[ 从0到1设计BUCK(4) | BUCK电路开关频率配置实战解析 ]。

04、/ 满足负载由“重”到“轻”的动态响应需求 /

参考[ 从0到1设计BUCK(2) | 为什么要设计电路？电源工程师必知的电路设计第一步！ ]，此例中，根据设计需求“表1 TPS54561DPRT参考电路实例的设计需求”，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。

参考TPS54561规格书，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[ 从0到1设计BUCK(5) | 电流纹波系数选择，功率电感计算优化指南 ]中进行配置的。

05、/ 满足电路设计需求中的纹波电压范围 /

此例中，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 《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“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：