应用于CPU板载开关电源输入端电容的快速选取方法.docx

    应用于CPU板载开关电源输入端电容的快速选取方法    典型CPU开关电源概论目前在给CPU供电的板载开关电源电路(Volt-age Regulation Down，VRD)的设计中，输出滤波电容器的选取，已经成为工程人员的设计考量重点，但是对于输入端电容的选择，业内还没有广泛地重视起来通常是根据经验大致摆放若干数量的大容量电解电容和陶瓷贴片电容的组合来满足基本设计需求这些凭经验的简单做法，往往不能完全满足电路需求，会导致各种各样的问题，比如电容过热和系统的不稳定，或者不必要的成本浪费和过大的电路板空间占用其实对于应用于CPU的开关电路输入电容的选取，还是有一定方法可依的笔者试图根据开关电源基本工作原理，业界通用理论和工作经验，来做一些分析归纳和总结首先需要知道应用于CPU的开关电源电路的特点目前应用于CPU的供电电路，基本上都采用了I)(/DC的BUCK同步降压型PWM控制持续电感电流模式结构针对当今CPU低电压大电流的特性，为了避免单相过大的电流负载，同时也更为了减小输入纹波电流和输出电感纹波电流，多相交错输出设计得到了广泛的应用图1即为三相交错供电设计的一个例子三相为均衡设计，只是在每一个开关周期(T=1／F)中轮流导通，相与相之间的工作特性是一样的。

下面从单相展开分析和讨论，最后再归纳成多相适用的结论2输入电容的作用分析开关电源的输入端通常需要输入电容，陶瓷电容和铝电解电容是首选一般不选择钽电容作为输入电容，因为这种电容在失效时通常会造成“短路”当PCB面积和器件高度受限时，陶瓷电容是很好的选择，但是陶瓷电容可能会引起音频噪声去耦电容主要是利用其高频低ESR/ESL的特性，降低芯片输入端电压的噪声，一般采用1～10F的陶瓷贴片电容，并且这个电容在布局时必须尽可能地靠近上端M()SFET的漏极以获得最佳效果大容量输入电容，一般采用铝电解电容，或者更新的固体电解电容其主要作用是吸收输入电流中的交流成分，即纹波电流，来保持输入电流的稳定连续性，并且在输出电流大幅阶跃波动时，快速提供所需电荷如果没有输入电容，当上管Q打开时，所需的电荷将全部从输入电源Uin中获取，而U往往没有足够低的输出阻抗，从而导致U出现明显的噪声，影响开关电路性能以及主板的EMI特性因此输入电容的选取在开关电源的设计中有着重要的作用，应该引起工程人员的重视3输入电容的参数和选择假设有如下的CPU开关电源电路设计实例：输入电压U=12 V，精度范围为±5%，最大额定稳态输出电流j=90 A，热设计电流TI= 65 A，采用三相输出设计，开关频率Fsw=200 kHz，每一相电感L= 235 nH，整体转换效率77=80%，最大输出电压U=1.6 V（针对BUCK型，电感电流的平均值等于输出电流。

一般最恶劣情况出现在占空比最大处）3.1 电容器额定DC电压的选择[来自wwW.lw5u.cOm] 电容的额定DC电压，是电容器在额定温度范围内所允许的连续工作电压，包括电容器两端的直流电压和脉动电压之和当前应用于CPU的开关电路，输入电压U已经是经过独立ATX电源转换之后的直流源因此，耐压值的选取相对比较简单，也是一般工程设计人员所熟悉的根据Power Supply Design Guide for Desktop Platform Form Factors Revl.1，目前供给CPU的直流电压一般为12 V，精度范围是±5%，即实际电压范围应在1 1. 40～12.60V之间为了保证电容的寿命和安全，一般电容电压的耐压标称值应为实际最大电压的1. 25倍以上（考虑到交流脉动电压及高温下实际耐受电压下降等情况的裕量），即12.6¨×1. 25=15. 75 V因此，一般选耐压值为16 V的电解电容和陶瓷贴片电容即可满足要求3.2 电解电容器的选择电解电容器的作用一是用来吸收输入电流的AC分量，即纹波电流；此外在负载电流有一个瞬间阶跃变化且电源输入端来不及反应时，负责快速提供所需的电荷变化量。

3.2.1 确定电解电容纹波电流要正确选取这个指标，就得首先搞清楚纹波电流的定义在这里指的是流经电容器电流的RMS值，其在电容电压上的表现为脉动或纹波电压电容器最大允许纹波电流受环境温度、电容器表面温度（及散热面积）、损耗角度（或ESR）以及交流频率参数的限制温度是电解电容器件寿命的决定性因素，因此由纹波电流产生的热损耗(IRMS2 ESR)同样也成为电容寿命的一个关键参考因数，需要引起工程人员的极大关注从定义上看，要正确选取足够的输入电容来满足输入端纹波电流的要求，就需要首先确定输入电容的电流波形，从而计算出输入电容需要吸收的纹波电流数值，并根据所选择的电解电容指标参数来确定需要的电容数目下面先就单相BUCK电路进行分析，图2为单相电路结构示意图对于DC/DC单相BUCK降压连续电感电流模式同步降压电路，电流波形如图3所示上管Q1的电流IQ,波形如图中粗实线部分，为斜梯形脉冲形状，其顶部上斜坡部分与下斜线组成的一组折线即为每一相电感电流I，其中下斜线部分由输出LC储能滤波器在Q1关断情况下提供进一步解读这组波形：在BUCK型拓扑结构中，电感电流I的平均值Icav等于输出电流Io，△J／I。

的比值称为电流纹波系数RR的值取决于电感的大小为了保证电路处于持续电感电流模式(CCM)，R的比值应该小于2在实际设计中，考虑到多方面因素，R的比值一般都取在0．3左右，可以获得成本性能的均衡，这个设计标准适用于各种拓扑结构的开关电源所以在之后的分析计算中，可以近似的将Q．的电流波形转化为高度为I的矩形脉冲，这样在计算纹波电流的时候带来的误差较小，但是却极大地降低了工程计算的复杂度图3中的与X轴平行的近似直线部分为输入电流L的波形，这个电流在Q1导通期间和输入电容电流一起向输出I-C滤波器及负载供电，在Q1关断期间则主要向输入电容充电，补充其损失的电荷公式推导过程：从几何图形上看，输入电容，n的电流波形即为将IQ曲线整体下移等于I的位移如图4中粗实线部分所示下，输入电容纹波电流的简化工程计算公式对于多相开关电路(N>1)．每一相的电流为J／N，电流波形为几相叠加而成以三相为例，输入端总的电容电流波形如图5所示式(4)即为多相DC／DC BUCIK降压型CCM模式开关电路的输入电容纹波电流计算公式结合上面的设计实例，可以根据已推导出的公式进行如下具体计算：3.2.2确定电解电容最小电容量当输出端负载电流有一个快速变化的时候，相应的输入端的输入电流也有一个大致成比例的变化量，也就意味着输入端要具备短时间提供大电荷变化量的能力，来维持输出电压基本稳定。

而这也正是输入端大容量电解电容的另外一个重要作用输入端构成一个LC低通滤波器，其带宽为：式中，C为输入电容量；L为输入端滤波电感值如果为了更快的电流响应，输入端未加滤波电感，那么在实际计算中可以近似采取50 nH的值来代替回路寄生电感的影响所需电荷变化量在I-t曲线上近似为一三角形，如图7所示3.2.3 电解电容选取实例针对本文的设计实例，上面章节已经计算得出电解电容的最小电容量是463.2uF，所需滤除的最大纹波电流是14. 86 A若选用Nichicon公司的CJ系列铝固体电解电容，查得其指标如表1所示考虑到成本和PCB布局，可以先选择两个330vF的PCJIC331MCLIGS型电容并联的组合：总电容量为330 UF×2=660 UF>463.2 UF总纹波电流为4.1 A×2=8.2 A<14. 86 A，但是注意到厂家给出的纹波电流值是在105以下给出的指标，而一般开关电源附近的热设计应使得电容表面温度一般不超过85因此实际纹波耐受值还应乘上一个温度系数(～1.3)此外，开关电源电路并不总是工作在最大输出电流情况下，实际输出电流大部分时间远小于最大输出电流因此，纹波电流值的选取可以有一定的降级。

所以该电容组合方案可以满足设计需求3.3陶瓷贴片电容的选择电容器电容量取决于输入端电压纹波的设计标准因为现在的开关频率高达几百kHz到几MHz，所以纹波电压的大小主要由陶瓷贴片电容来决定大电解电容并不降低纹波电压，因为其等效串联电阻ESR较高而一般要求输入电压的噪声U应该小于1%的U，本例中U=12 V，所以选取的陶瓷电容应满足Uppina<120 mV的指标输入电压的噪声主要分为两部分：纹波电压( rip-ple)和开关瞬间的高频振荡，这是输入电容的ESIESR和C共同作用的结果ESR和ESL在导通切换瞬间引起电压振荡和阶跃；而C值在导通或截止整个期间由于充放电而引起电压线性的波动结合上面得到的输入端电流波形图（图4）进行定性分析：在Tcr,开始瞬间，J和Iin -起向电感供电，ESR[来自www.lw5U.com]和ESI共同作用引起输入端电压瞬时上升，而整个导通期间电容放电也使得电压上升；类似的在t开始瞬间，J向电容充电．ESR和ESL共同作用引起输入端电压瞬时下降，同时在整个T期间输入电流向电容充电，也导致电压下降在这个过程中，输入端电压的波动U应该等于输入电流和输入电容电流共同向电感供电；在Toff期间，L输入电流给C充电，补充其在导通期损失的电荷。

作为一个稳态的系统，输入电容在充电和放电过程中总的电荷量应该近似一致因此，可以任意选择电容的充电或者放电阶段做估算，以放电阶段为例：满足设计要求从上述分析计算过程中，可以看到陶瓷贴片电容的ESL很低，对电压纹波的影响不大，但是这也要求在放置陶瓷电容时必须紧靠输入端，避免过长的回路路径引入额外的电感影响此外，选择陶瓷电容，应选择温度特性较好的X5R或X7R等类型常用的Y5V陶瓷电容在高温下电容量下降较大，不适合用在温较高的开关电源区域4 总 结至此，已经推导出适用于所有DC／DC BUCK降压型开关电源输入端输入电容的选取计算公式，并结合文中设计实例，使用所得公式，确定了满足电路要求的相应工程方案可以看到，文中所得到的计算公式，可以帮助工程设计人员快速准确的选择适当的电容组合，来满足设计的需求，具有一定的工程应用意义和价值在以上的计算中，做了必要的简化例如，忽略了开关管导通压降、效率转换损失、电感电流峰峰值变化等等这些简化在引入较低的误差下，大大减轻了设计计算量，因而是可以接受的在计算推导中，可以看到多相输出的直接优势，就是大大降低了输入电流纹波和输出电感电流波动，使我们可以用更少的电容来平滑输入端和输出端，降低了成本和料件的PCB占用面积。

因此，多相设计已经成为目前低电压大电流的CPU供电电路的基本特征  -全文完-。