由迈克尔得分，德州仪器
开关电源用于几乎所有需要长电池寿命、低热量产生或满足能源之星要求的终端设备®指导方针。在设计开关电源时，很难决定使用哪种输出电容类型。
电解电容器具有较高的等效串联电阻(ESR)，使得功率损耗高，瞬态响应差，不适用于负载响应要求苛刻的场合。然而，电解电容器具有稳定的电容和高偏置电压，价格便宜。陶瓷电容器具有很低的ESR，但在高偏置电压下，电容会大大降低，而且在大的偏置电压下会很昂贵。在许多降压变换器中，陶瓷电容器的有效电容小于额定电容的一半。
今天的buck稳压器通常只使用一种类型的输出电容，因为用不同的电容和esr来设计太困难了。这迫使许多设计师使用更昂贵的电容器类型，如聚合物或钽，提供较低的ESR比电解，但没有陶瓷低。现在使用新的设计工具可以在几分钟内制备出稳定的混合输出电容器。为了说明这一概念，本文介绍了一种带有混合输出电容的DC/DC电源的设计。
负载下输出变化的原因
第一步是了解输出电容在系统中的作用。图1显示了输出电容特性贡献的理想波形，以及它们在负载瞬态事件中出现的位置。
负载瞬态的尖峰主要是由等效串联电感(ESL)或输出电容在非常高频率的阻抗引起的。固定的电感电流斜率导致电感电流中的大部分瞬变事件扰动发生过冲和过冲从负载阶跃瞬态恢复也会引起过冲和过冲。将这些低频误差最小化依赖于存储在输出电容中的能量和电压回路响应时间。因此，重要的是要有一个宽的环路带宽，低ESR和足够的输出电容，以满足足够的存储。
保持负载下的低噪声输出有两个主要因素：1）监管机构的过冲和下划线有多少;2）开关频率发生了多少纹波电压。峰值过冲/下冲是截至环路交叉频率（方程1）处输出电容器的阻抗的负载级电流倍。该等式强调在环路交叉频率（FC）处具有低输出电容阻抗的重要性，以获得低过冲或下冲。循环交叉频率通常是针对开关频率的十分之一。更高的循环交叉频率最小化过冲/下冲。
VOVER/UNDER SHOOT≈D IOUT × ZOUT (fC) (1)
输出纹波电压的近似值是输出电容在开关频率处的阻抗乘以电感的峰间电流。
VRIPPLE≈IL(P-P) × ZOUT (fSW) (2)
由式2可知，输出纹波电压可以通过减小电感的峰对峰电流来降低，而减小的峰对峰电流是通过增大电感值来控制的。然而，也有缺点。一个更有效的减少纹波的方法是降低输出电容在开关频率的阻抗。用于纹波电压的阻抗频率要高得多，因为开关频率大约是环交叉频率的十倍。
为了最小化负载瞬态下的纹波和超调电压，调节器需要一个宽的环交叉频率。还应有足够的电容用于储能，输出电容的过频阻抗应低。
输出电容使输出阻抗最小化
理想情况下，输出电容对于能量存储器非常大，并且在环路交叉和开关频率下具有非常低的阻抗。聚合物和钽电容器具有低ESR的大值，但它们昂贵，ESR仍然不如陶瓷电容器。电解电容器非常擅长以低成本获得大电容值，但是，它们具有更大的ESR和ESL。这使得它们不适合输出负载步骤性能。
陶瓷电容器有非常低的ESR和ESL，这使他们伟大的瞬态性能，但他们有限制的电容器大小。陶瓷电容值22 μ F和较少的相对便宜。陶瓷电容器的有效电容随偏置电压的增大而减小，使其难以为大负载台阶提供足够的储能。使用TDK SEAT软件绘制图2，显示了VBIAS对有效电容的影响。当偏压为12 V时，两个22 μ F级陶瓷电容器分别减小到19 μ F和16 μ F。请注意，来自同一厂商的两个22- μ F, 25-V, X7R电容有非常不同的VBIAS曲线，所以一定要检查实际的VBIAS曲线。
使用相同的软件，图3显示了22-µF和47-nF陶瓷电容器的阻抗随频率的变化。22- μ F电容在100 kHz及以上具有低阻抗，但不能提供足够的能量存储。电解电容器可以与22- g - F陶瓷平行，允许低阻抗频率小于100 kHz。由于电解电容容量大，并且并联增加一个小陶瓷电容可以减少开关噪声引起的电磁干扰(EMI)，所以在低频时使用电解电容是可取的。
选择47-NF陶瓷，因为它具有比20MHz和上方的22-μF电容低的阻抗。额外电容的47个NF太小而无法影响稳定性。黑色曲线显示了22-μF和47-NF电容器的并联组合的阻抗。图3显示了通过大部分频带的阻抗的主要曲线22-μF陶瓷。然而，电解质在低频下占主导地位，并且在非常高的频率下占据47-NF陶瓷。
混合输出电容的设计在最宽的频率范围内提供最低的输出阻抗。然而，buck调节器的反馈回路补偿变得非常难计算。考虑极/零位置是很重要的，因为陶瓷的ESR和电容较低，而电解液的ESR和电容较高。电感和每个电容器提供不同的极/零位置。TI的WEBENCH软件分别考虑了每一条路径，使得设计比手工计算更简单、更健壮。
混合电容设计示例
选择混合电容器设计，通过降压调节器，输入电压为24 V（±20％）和12V输出电压为6 A.焦点是通过低成本解决方案获得良好的瞬态响应。
您可以在Webench Panel中输入要求或直接进入所选稳压器的产品页面上的面板。对于此示例，选择了LM25117降压控制器，并在产品页面上输入了输入条件。设计启动后，左侧将出现一个高级选项部分，如图4所示。此设计需要良好的瞬态性能，因此检查“用户首选频率”框并在框中输入“500 kHz”下面允许宽环交叉频率。在“输出盖选项”下，选择“混合”，然后单击“更新”以启动允许500 kHz和混合输出电容的新设计。这些选择在图4中以红色呈旋转。
点击原理图放大视图后，可以通过双击组件来更改原理图上的组件。在这种情况下，双击电感(L1)以选择成本稍低的选项。每个输出电容(图4中的红色箭头)被改变为所需的电解电容器和陶瓷电容器的混合。COUT改为两个100-µF电解电容器，COUTX改为一个陶瓷电容器。数据库中有几个合适的陶瓷电容器。然而，该工具没有如图2和3所示的22-µF陶瓷电容器。双击COUTX电容器，然后选择“Create Custom Part”(窗口底部)。在12 v偏置电压下，用19µF陶瓷代替22µF的典型值，以调整减小的电容，并输入15 mW进行ESR，这为痕迹增加了少量的电阻。
在改变输出电容后，点击“Re-Comp”按钮(图4，用红色圈出来的)，可以看到波德图并改变补偿。图5中蓝色曲线为总回路幅值和相位，橙色曲线为功率级响应。该工具使用混合输出电容设计和功率级增益曲线标记功率级的极点和零位。
所选设计的稳定性是足够的，但目标是获得更宽的交叉频率。WEBENCH补偿设计器允许自动补偿，可选择交叉频率、增益裕度和相位裕度范围。然而，在这个例子中，选择手动补偿来控制补偿极点和零点。“编辑极点/零位”选项允许补偿极点和零位被移动，组件值自动改变以满足极点/零位的位置。“Zero1”从5.3 kHz降低到2.8 kHz，以增加交叉频率，并消除在1 kHz时的一些相位下降。Pole1保持在80千赫的原始频率附近是可以接受的。
将补偿零点移动到2.8 kHz增加到21 kHz至56 kHz的交叉频率。相位裕度降至65度，增益余量至15 dB，这仍然是一个非常稳定的设计。稳定性结果在图6中圈出。选择“应用更改为设计”按钮更新原理图。
最后的示意图如图7所示。如果系统还没有本体解耦，则应在输入端加入电解液以获得额外的本体电容。如果需要，如图3所示的47-nF电容可以添加到输出以减少EMI。
输出电容跨频低阻抗和高环交叉频率提供良好的瞬态响应。同时使用陶瓷和电解输出电容最大限度地减少电容跨频率的阻抗。高频用陶瓷电容器较好，低频用大值电解电容器较好。使用笔和纸完成一个稳定的混合输出电容的设计是具有挑战性的，但WEBENCH Power Designer使混合电容的设计变得容易，并重新补偿改进的性能。
Michael Score是德州仪器现场应用工程的高级技术人员。点击这里是一个pdf在TI的模拟应用期刊2015年3季度出现的文章。
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