如何最大限度减小电源设计中输出电容的数量和尺寸

作者：Frederik Dostal，ADI 现场应用工程师

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。如果在电路板上，电压生成电路和耗电电路之间的距离非常短，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(L_layout)。

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Z_Cout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(L_layout)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电路图。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L_layout）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。

作者简介

Frederik Dostal曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业。他于2001年开始工作，涉足电源管理业务，曾担任各种应用工程师职位，并在亚利桑那州凤凰城工作了4年，负责开关模式电源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司担任电源管理现场应用工程师。联系方式：frederik.dostal@analog.com。