如何最大限度减小电源设计中输出电容的数量和尺寸

电源

电源输出电容一般是100 nF至100 μF的陶瓷电容，它们耗费资金，占用空间，而且，在遇到交付瓶颈的时候还会难以获得。所以，如何最大限度减小输出电容的数量和尺寸，这个问题反复被提及。

输出电容造成的影响

论及此问题，输出电容的两种影响至关重要：对输出电压纹波的影响，以及在负载瞬变后对输出电压的影响。

首先，我们来看一看输出电容这个词。这些电容一般安装在电源的输出端。但是，许多电力负载（电力消耗对象），例如FPGA，都需要使用一定数量的输入电容。图1显示的是一种典型的包含负载和FPGA的电源设计。如果在威廉希尔官方网站板上，电压生成威廉希尔官方网站和耗电威廉希尔官方网站之间的距离非常短，那么电源输出电容和负载输入电容之间的界限就会变得非常模糊。

通常需要利用某种物理分隔方法来加以区分，而这会导致产生大量寄生电感（Llayout）。

图1. ADI公司 LTC3311开关稳压器，包含所连接的FPGA对应的输出电容和输入电容

电源输出端的电容形成决定了降压型（降压）开关稳压器的电压纹波。此时，经验法则适用：输出纹波电压等于电感纹波电流 X 输出电容的电阻。

这个电阻ZCout由电容的大小和数量，以及等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）组成。如果电源输出端只有一个电容，此公式高度适用。如果是更为复杂的情况（参见图1），其中包含多个并联电容，且因为布局（Llayout）的原因产生了串联电感，那么计算不会如此简单。

图2.使用LTspice评估系统电源输出端的不同电容

图3.使用LTpowerCAD优化开关稳压器的控制环路，以及减少输出电容的数量

在这种情况下，非常适合使用LTspice®这样的模拟工具。图2所示为针对图1提到的情况快速创建的威廉希尔官方网站图。可以将不同值（包括ESR和ESL）设置给单个电容。也可以考虑板布局（例如Llayout）可能产生的影响。然后，会仿真开关稳压器输出端和负载输入端的电压纹波。

输出电容也会影响负载瞬变后的输出电压失调。我们也可以使用LTspice仿真这一影响。此时，特别需要注意的是，在某些限制范围内，电源控制环路的控制速度和输出电容的电感是相互关联的。电源控制环路的速度如果更快，那么在负载瞬变之后，只需要更少数量的输出电容即可保持在特定的输出控制窗口之内。

最后但同样重要的一点是，LTC3311-1具有自适应电压定位（AVP）。AVP可以利用输入误差电压预算并减少输出电容器的数量，此外，设计人员还可以通过增加环路带宽来实现减少输出电容的数量。

AVP在低负载条件下稍微增大输出电压，在高负载条件下稍微降低输出电压。然后，如果发生负载瞬变，则更多动态输出电压偏差都发生在允许的输出电压范围内。

建议使用ADI公司的LTpowerCAD®来找出哪些控制环路可以优化，以及可以减少多少个输出电容。图3所示为计算控制速度的屏幕截图。其中显示了在负载瞬变后计算得出的电压过冲。可以通过改变输出电容、调节开关稳压器控制环路的速度来进行优化。

确定正确的参数后，即可减少电源中输出电容的数量，如此可以节省资金和板空间，我们建议大家使用这个开发步骤。

王栋春 · 2022-6-14 22:45:24

讲解的非常到位，学习了

北山独狼 · 2022-6-16 16:49:14

谢谢分享，学习学习

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