BUCK电路的输出电容怎么选型？

01 TPS54561DPRT规格书应用实例

TPS54561DPRT规格书 8.2.1.2.4 Output Capacitor

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，10V耐压，ESR为5mOHM，期望的容值为87.4uF，是可以满足输出电容最小值为62.5uF等要求的。

本篇，我们来具体分析下buck电路中输出电容的选型步骤或方法...

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），即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。

以上三点，分别对应着前文所述TPS54561DPRT规格书中(35)(36)(37)三个公式。

（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 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。

这里，开关频率400kHz是在“4.2 如何配置开关频率的大小？”章节进行配置的。

（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

此例中，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

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 “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）输出电容串联等效电阻ESR的要求

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。

此例中，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：

（5）输出电容RMS电流的要求，计算输出电容上均方根电流的大小

根据“3.3.11.3 输出电容的有效电流”章节内容，输出电容上均方根电流的计算公式为 Ico,rms = ΔIL / sqrt(12) ，且前文已知纹波电流大小为1.591A，所以此例中输出电容上的均方根电流大小如下：

（6）输出电容选型的其他要求

① 输出电容的额定电压至少是输出电压的1.25 ~ 1.5倍。

② 更低ESR，X5R或更好材质的陶瓷电容，钽电解电容或铝电解电容。一般来说，ESR大小顺序是，陶瓷电容 < 钽电解电容 < 铝电解电容。

③ 当需要使用较大容值（如220uF – 3300uF）的钽电容器或铝电解电容器时，最好将容值减倍后两个电容并联，且并联0.1uF陶瓷电容，这样相当于多个ESR/ESL并联，可以降低整体ESR/ESL。ESR越小，纹波电压越小；ESL越小，EMI越小。

④ 还有一个常识是，在使用带极性的钽电容器或铝电解电容器时，正极接电源VCC，负极接电源GND。这在原理图设计时比较容易做到，但是在实际进行电源电路测试或调试时就需要注意极性是否有接反，否则可能会向下图那样爆炸了。

04 输出电容选型的结果

综上所述，要求输出电容量大于62.5uF，ESR小于15.7mOHM，RMS电流大于459mA。且由输出电压为5V可知，输出电容的耐压可取7.5V以上。下图所示TPS54561DPRT规格书实例电路，输出电容C6，C7和C9总体容值为3*47uF=141uF，大于62.5uF，满足设计需求。实际可选择的电容型号为Murata GRM32ER61C476ME15L(CAP, CERM, 47uF, 16V, +/-20%, X5R, 1210)。

因为陶瓷电容器的容值随温度和直流偏压而变化很大，所以在进行降压电路输出电容和输入电容选型时，通常选择X5R或X7R介电材料（因为它们具有高电容体积比，并且在整个温度范围内更加稳定）的陶瓷电容器，同时必须考虑其直流偏压特性（电容器的有效值随着电容器两端直流偏压的增加而减小）。

下图所示，是GRM32ER61C476ME15#电容的参数和直流偏压特性曲线，在DC Bias为5V时，其容值变化率约为-42%；也就是说，该47uF容值的电容，其两端电压为5V时，实际容值仅剩余47uF*(1-42%)=27.26uF。使用此例中所需的最小容值62.5uF除以5V偏压后的实际容值27.26uF，即可得到所需电容的数量，即62.5uF/27.26uF=2.293，所以输出端至少需要3颗陶瓷电容GRM32ER61C476ME15#（静电容量47μF ±20%，额定电压16Vdc，温度特性X5R），才能满足设计需求。

最后需要说明的是 ，由于陶瓷电容MLCC的ESR参数通常小到可以忽略，所以输出端电容类型只有陶瓷电容MLCC的话，可以忽略ESR和RMS电流这两个参数。比如此例中允许的最大ESR 15.7mΩ 与均方根电流459mA 的乘积为 15.713mΩ * 459mA = 7.212 mV，可见由此引起的输出电压变化量是比较小的，可以忽略。