所有降压转换器都需要输入电容。实际上，在理想情况下，如果电源具有零输出阻抗和无限电流容量，并且轨道具有零电阻或电感，则不需要输入电容。但由于这种情况的可能性微乎其微，因此最好假设降压转换器需要输入电容。
输入电容器存储当高端开关打开时提供电流脉冲的电荷；当高端开关关闭时，输入电源对输入电容器进行重新充电（图 1）。
图 1上图显示了降压 DC/DC 开关周期内输入电容电流的简化电流波形，假设输出电感无限大。来源：德州仪器
降压转换器的开关动作会对输入电容器进行充电和放电，导致其两端的电压上升和下降。此电压变化表示转换器在开关频率下的输入电压纹波。输入电容器会过滤输入电流脉冲，以最大限度地减少输入电源电压上的纹波。
电容的大小决定了电压纹波，因此电容的额定值必须能够承受均方根 (RMS) 电流纹波。RMS 电流计算假设只有一个输入电容，没有等效串联电阻 (ESR) 或等效串联电感 (ESL)。有限的输出电感解释了输入侧的电流纹波，如图2所示。
图 2 TI 的 Power Stage Designer 软件显示输入电容器纹波电流和计算出的 RMS 电流。来源：德州仪器
并联输入电容器之间的电流共享
大多数实际实现都使用并联的多个输入电容器来提供所需的电容。这些电容器通常包括一个小值高频多层陶瓷电容器 (MLCC)，例如 100 nF。使用一个或多个较大的 MLCC（10 µF 或 22 µF），有时还使用极化大值大容量电容器（100 µF）。
每个电容器都执行类似但不同的功能；高频 MLCC 可分离 DC/DC 转换器中 MOSFET 开关过程引起的快速瞬态电流。较大的 MLCC 以开关频率及其谐波向转换器提供电流脉冲。当输入源的阻抗意味着它无法快速响应时，大容量电容器可提供响应输出负载瞬变所需的电流。
在使用时，大型电容具有显著的 ESR，这会对输入滤波器的 Q 因数产生一定程度的衰减。根据其在开关频率下相对于陶瓷电容的等效阻抗，电容在开关频率下也可能具有显著的 RMS 电流。
大容量电容器的数据表指定了最大 RMS 电流额定值，以防止自热并确保其使用寿命不会缩短。由于 RMS 电流的存在，MLCC 的 ESR 要小得多，因此自热也少得多。即便如此，电路设计人员有时会忽略陶瓷电容器数据表中指定的最大 RMS 电流。因此，了解每个单独输入电容器中的 RMS 电流非常重要。
如果您使用多个较大的 MLCC，则可以将它们组合起来，并将等效电容输入到电流共享计算器中，以计算并联输入电容器中的 RMS 电流。RMS 电流的计算仅考虑基频。尽管如此，此计算工具是对单个输入电容器 RMS 电流计算的有用改进。
考虑一个应用，其中 V IN = 9 V、V OUT = 3 V、I OUT = 12.4 A、f SW = 440 kHz 和 L = 1 µH。那么三个并联输入电容可以是 100 nF (MLCC)、ESR = 30 mΩ、ESL = 0.5 nH；10 µF (MLCC)、ESR = 2 mΩ、ESL = 2 nH；以及 100 µF (bulk)、ESR = 25 mΩ、ESL = 5 nH。此处的 ESL 包括 PCB 轨道电感。
图 3显示了此示例的电容器电流共享计算器结果。100 nF 电容器按预期吸收 40 mA 的低 RMS 电流。较大的 MLCC 和大容量电容器将其 RMS 电流更均匀地分配为 4.77 A 和 5.42 A。
图 3显示的是 TI 的 Power Stage Designer 电容均流计算器的输出。来源：德州仪器
实际上，由于施加的电压，10 µF MLCC 的实际电容会略低。例如，0805 封装中的 10 µF、25 V X7R MLCC 在偏置电压为 12 V 时可能仅提供其额定电容的 30%，在这种情况下，大型电容器的电流为 6.38 A，这可能超过其 RMS 额定值。
解决方案是使用更大的电容器封装尺寸并并联多个电容器。例如，1210 封装中的 10 µF、25 V X7R MLCC 在偏置电压为 12 V 时可保持其额定电容的 80%。当在电容器电流共享计算器中用作 C2 时，其中三个电容器的总有效值为 24 µF。
并联使用这些电容器可将大型电容器中的 RMS 电流降低至 3.07 A，这更易于管理。并联放置三个 10µF MLCC 还可将 C2 支路的总 ESR 和 ESL 降低三倍。
100 nF MLCC 的低电容及其相对较高的 ESR 意味着该电容器在开关频率及其低阶谐波下提供电流方面起着很小的作用。该电容器的功能是分离 DC/DC 转换器 MOSFET 开关瞬间出现的纳秒电流瞬变。设计人员通常将其称为高频电容器。
为了提高效率，必须使用尽可能短（电感最小）的 PCB 布线将高频电容器尽可能靠近稳压器的输入电压和接地端子。否则，轨道的寄生电感将阻止此高频电容器对开关频率的高频谐波进行去耦。
使用尽可能小的封装以最小化电容器的 ESL 也很重要。与其 ESR 和阻抗曲线相比，值小于 100 nF 的高频电容器有利于在特定频率下解耦。较小的电容器将具有较高的自谐振频率。
类似地，始终将较大的 MLCC 尽可能靠近转换器放置，以尽量减少其寄生轨道电感，并尽量提高其在开关频率及其谐波下的有效性。
图 3 还显示，尽管总输入电容器（假设它是一个等效电容器）的总 RMS 电流为 6 A，但 C1、C2 和 C3 支路中的 RMS 电流总和大于 6 A，不遵循基尔霍夫电流定律。该定律仅适用于瞬时值，或时变和相移电流的复杂相加。
使用 PSpice for TI 或 TINA-TI 软件
如果设计人员的应用需要三个以上的输入电容分支，则可以使用 PSpice for TI 仿真软件或 TINA-TI 软件。这些工具可以进行更复杂的 RMS 电流计算，包括谐波和基本开关频率，以及使用更复杂的电容模型，以捕捉 ESR 的频率相关特性。
TINA-TI 软件可以通过以下方式计算每个电容支路中的 RMS 电流：运行仿真，单击所需的电流波形以将其选中，然后从波形窗口中的“处理”菜单选项中选择“平均值”。TINA-TI 软件使用仿真开始和结束显示时间的数值积分来计算 RMS 电流。
图 4显示了仿真视图。为了清晰起见，我们省略了 100 nF 电容，因为其电流非常低，会导致开关边缘产生振铃。Power Stage Designer 软件分析转换器的总输入电容电流波形，计算出输入电流 (I IN )，为 6 A RMS，与图 2 中的值相同。
图 4 TINA-TI 软件的输出显示了电容器支路电流波形和计算出的 C2 中的 RMS 电流。来源：德州仪器
与忽略 ESR 和 ESL 的理想梯形波形相比，每个分支中的电容器电流波形有很大不同。这种差异对 DC/DC 转换器（如 TI LM60440）有影响，该转换器有两个并联电压输入 (V IN ) 和接地 (GND) 引脚。
镜像引脚配置使设计人员能够连接两个相同的并行输入环路，这意味着他们可以将双输入电容（高频和大容量）并联放置在靠近两对电源输入 (PVIN) 和电源接地 (PGND) 引脚的位置。两个并行电流环路还将有效寄生电感减半。
此外，两个镜像输入电流环路具有相等且相反的磁场，允许一些 H 场抵消，从而进一步降低寄生电感（图 5）。图 4 表明，如果您没有仔细匹配并联环路的电容值、ESR、ESL 和布局以获得相等的寄生阻抗，则并联电容路径中的电流可能会有很大差异。
图 5并行输入和输出环路采用对称“蝴蝶”布局。来源：德州仪器
软件工具使用注意事项
要正确指定降压 DC/DC 转换器的输入电容器，您必须知道电容器中的 RMS 电流。您可以通过公式估算电流，或者更简单地使用软件工具（如 TI 的 Power Stage Designer）估算电流。您还可以使用此工具估算最多三个并联输入电容器支路中的电流，这在实际转换器设计中很常见。
更复杂的仿真软件包（如 TINA-TI 软件或 PSpice for TI）可以计算电流，包括谐波和基频。这些工具还可以模拟频率相关的寄生阻抗和更多并联分支，这说明了在镜像输入蝶形布局中匹配输入电容器组合的重要性。
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