DC/DC输入电容设计：从储能到噪声抑制的全面解析

DC/DC输入电容设计：从储能到噪声抑制的全面解析

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_41898507/article/details/146435973

在电源系统设计中，DC/DC转换器的输入电容设计是一个关键环节。它不仅关系到系统的稳定性和可靠性，还直接影响到整个电源系统的性能。本文将从储能与动态响应、高频噪声抑制等方面，系统性地解析输入电容的设计要点，帮助工程师们更好地掌握这一核心技术。

输入电容的物理本质与核心作用

储能与动态响应

输入电容在DC/DC转换器中的核心功能是为系统提供瞬态电流支持。当开关管导通时（Ton 阶段），电源向电容充电；当开关管关断时（Toff 阶段），电容释放储存的能量以维持负载电流的连续性。这种周期性充放电过程对输入电压的稳定性至关重要。

公式详解

电荷守恒方程：
$$
QIN =CIN \cdot \Delta VIN
$$

• $QIN$：每个开关周期内输入电容存储的电荷量（单位：库仑，C）
• $CIN$：输入电容值（单位：法拉，F）
• $\Delta VIN$：输入电压允许的纹波幅值（单位：伏特，V）

动态电流需求计算

当负载突变时，输入电容需提供瞬态电流。动态电流需求公式：

• $POUT$：输出功率（单位：瓦特，W）
• $\eta$：转换效率（无单位，典型值0.85~0.95）
• $VIN(min)$：最低输入电压（单位：伏特，V）
• $Dmax$：最大占空比（无单位，范围0~1）

案例分析

以48V转12V/20A的同步Buck转换器为例：

• $POUT =12V×20A=240W$
• 假设$\eta=0.9$，$VIN(min) =40V$，$Dmax =0.25$
• 计算得：此时输入电容需至少提供1.25A的动态电流。若允许的电压纹波为50mV，则所需电容值：
  （假设开关频率$fsw =500kHz$，周期$Tsw =2μs$）

高频噪声抑制

噪声来源

开关管的高速切换（如MOSFET的di/dt可达100A/μs）会在输入环路中产生高频噪声，主要表现为：

• 差模噪声：输入正负极之间的噪声（频段100kHz~10MHz）
• 共模噪声：输入对地的噪声（频段10MHz~100MHz）

插入损耗设计

输入电容的阻抗需满足：

• $ZCIN$：电容在噪声频率处的阻抗（单位：欧姆，Ω）
• $Vripple(pk)$：允许的峰值电压纹波（单位：伏特，V）
• $Isw(pk)$：开关管峰值电流（单位：安培，A）

设计实例

若允许的峰值纹波电压为50mV，开关管峰值电流为5A，则：