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。
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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。
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（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
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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。
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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。
联轴器的类型及性能要求，工作中如何选择联轴器？
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