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如何选择输出电容ESR参数?

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5.8.4 输出电容的选型依据 

1、满足负载由“轻”到“重”的动态响应需求

2、满足负载由“重”到“轻”的动态响应需求

3、满足电路设计需求中的纹波电压范围

4、输出电容RMS电流的要求

5、输出电容ESR参数的要求 (如何选择输出电容ESR参数?)

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我在某平台上看见有人问:

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。

以下,咱们就来分析下如何选择BUCK电路输出电容ESR参数...

5、输出电容ESR参数的要求 (如何选择输出电容ESR参数?)

(1)由“3.2.4.3 输出电容ESR纹波电压”章节输出电容ESR引起的纹波电压的表达式(3.163)( ?V_(COUT,ESR)=?I_L×ESR_COUT ),容易得到输出电容ESR允许的最大值由如下公式评估:

这就是为了满足设计需求中的输出纹波电压范围不超过设计需求中的目标值 ?V_RIPPLE ,BUCK电路输出电容选型其ESR参数可取的最大值。

(2)在BUCK电路设计时,如果根据转换效率目标值或者功率损耗目标值分配给输出电容的功率损耗最大值为 P_(COUT,MAX,2) ,由公式(5.43)计算得到输出电容上的有效电流值为 I_(COUT,RMS,MAX) ,公式(3.283)(  P=I^2×R )可以得到输出电容ESR允许的最大值由如下公式评估:

这就是为了满足输出电容上的功率损耗不超过 P_(COUT,MAX,2) ,BUCK电路输出电容选型其ESR参数可取的最大值。

所以,实际进行输出电容ESR参数选型时,小于等于公式(5.46)和(5.47)计算值中的较小值即可满足设计需求。

(3)算例

输出端纹波电压目标值为 ?V_RIPPLE = 0.025V ,输入电压最大值为 V_(IN,MAX) = 60V ,输出电压为 V_OUT = 5.0V ,开关频率为 F_SW = 400kHz ,功率电感取值为 L_BUCK = 7.2uH ,输出电容的功率损耗目标值为 P_(COUT,MAX,2) = 0.004W 。

由公式(3.192)计算得到纹波电流为 

?I_L=1.591A

由公式(5.43)计算得到输出电容上的有效电流值为 

I_(COUT,RMS,MAX) = 0.459A 

那么,由公式(5.46)计算输出电容ESR可取的最大值为 

ESR_(COUT,MAX) = 0.025V / 1.591A = 15.71mΩ

由公式(5.47) 计算输出电容ESR可取的最大值为 

ESR_(COUT,MAX) = 0.004W / (0.459)^2 = 18.98mΩ 

所以,此算例中要求在输出电容选型时其ESR参数需要小于等于15.71mΩ,才能保证输出端纹波电压不超过设计需求中的0.025V,才能保证输出电容上的功率损耗不超过设计需求中的目标值0.004W。

注:上述计算中用到的其他公式

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