在设计开关电源电路时,我们通常使用以下公式计算输出纹波:

如果所用电容器为多层陶瓷电容器(MLCC),由于其等效串联电阻(ESR)值非常低,因此可以忽略不计。所以,根据输入/输出电压、开关频率和目标纹波,可以使用以下公式计算电容值:

然而,使用上述公式计算出的电容值在实际测试中却导致了更大的输出纹波。这是为什么呢?这是因为多层陶瓷电容器(MLCC)具有直流偏置特性:对电容器施加直流电压会降低其电容值。
下图 1 显示了 Murata 22uF/10V 电容器的直流偏置特性。

图 1
如图所示,当对电容器施加 5V 直流电压时,其电容值会降至初始值的约 50%。MLCC 电容器的直流偏置特性非常显著;电容值越大,随着电压的升高,电容值下降得越快,这在电路设计中必须加以考虑。通常,MLCC 电容器的直流偏置特性具有以下特点:
① 电容越大,偏置特性越明显;电容随电压升高而减小。
② 对于相同电容但不同额定电压的电容器,在相同电压下电容下降的幅度大致相同(没有额定电压高的电容器电容下降幅度较小)。
③ 对于相同电容和额定电压的电容器,封装尺寸越大,电容下降速度越慢。
MLCC的电容衰减是客观存在的。设计应基于实际偏置电压下的电容值,而非标称电容值。例如,如果电路需要一个10uF的电容,而选择了X7R型MLCC(额定电压10V),但实际偏置电压为5V(此时电容衰减约50%),则应并联两个标称电容为10uF的电容,以确保实际电容满足要求。