輸入電容器的設(shè)計(jì)考慮因素

對(duì)于自舉轉(zhuǎn)換器fb00t.St raPP edconverter)而言，輸入電容器可發(fā)揮兩大操作功能。首先，輸入電容器在軟啟動(dòng)過(guò)程中充當(dāng)電源，不僅為轉(zhuǎn)換器柵極驅(qū)動(dòng)提供電流源，而且還為軟啟動(dòng)過(guò)程中連接至集成電路(Ic)的所有其它電路系統(tǒng)提供電力。其次，輸入電容器能夠過(guò)濾來(lái)自轉(zhuǎn)換器電路或其它電路的噪聲。轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)，控制IC的輸入電容器可向場(chǎng)效應(yīng)晶體管fFET)的柵極提供高電流脈沖，避免較大的電流瞬變導(dǎo)致Ic輸入產(chǎn)生較大噪聲。

上述兩大功能要求單個(gè)電容同時(shí)具備多種特性，而這些特性又往往是彼此不兼容的。

電容器的能量存儲(chǔ)空間能力和尺寸都必須足夠大，以便能夠在軟啟動(dòng)過(guò)程中為系統(tǒng)提供足夠的電力能。電容器的類型和大小決定了其在較高頻率情況下往往不能提供所需的低阻抗特性。

開(kāi)關(guān)FET所需的高頻柵極驅(qū)動(dòng)電流要求電容器能夠處理高頻電流。多層陶瓷電容器則能夠提供所需特性。由于系統(tǒng)的高頻電氣要求，因此電容器必須靠近Ic且兩者間的電感應(yīng)盡可能小。

在確定大型電容器的尺寸規(guī)格時(shí)，認(rèn)識(shí)到IC需要自己的內(nèi)部電源也是非常重要的。因?yàn)橐坏㊣C達(dá)到其“開(kāi)啟”電壓，其所有內(nèi)部電路都會(huì)通電并開(kāi)始吸收電流。這些電路包括為開(kāi)關(guān)提供計(jì)時(shí)功能的振蕩器、誤差放大器以及用于控制與參考的比較器等。在此之前，各部件不通電。正由于此，我們通常建議同時(shí)采用兩個(gè)電容器。

兩個(gè)電容器中的其中一個(gè)尺寸規(guī)格可以相對(duì)較小，具備較低的等效串聯(lián)電阻fESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)，并可需直接放置在IC的電源引腳(Vcc)及其接地之間。該電容器能夠處理與內(nèi)外部負(fù)載開(kāi)關(guān)(如功率FET的柵極驅(qū)動(dòng))等相關(guān)的高頻電流。

另一個(gè)大型電容器的位置則應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況靠近Vcc和接地。不過(guò)，由于該電容器不處理上述高頻電流組件，因此其位置并不十分關(guān)鍵。該電容在啟動(dòng)過(guò)程中提供所需的大部分電力。

研究轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)程序有助于確定一些潛在的問(wèn)題。首先，我們假定只需要一個(gè)體積較小的高頻電容器。這時(shí)，在僅使用較小電容器的情況下，相關(guān)結(jié)果強(qiáng)調(diào)指出，我們應(yīng)當(dāng)另外再采用一個(gè)大型電容器。

為了便于分析，我flf~定驅(qū)動(dòng)一個(gè)每次“開(kāi)啟”均需要60納庫(kù)fnanocoloumb)的柵極驅(qū)動(dòng)電荷且工作頻率為1 00 kHz的FET。這就是說(shuō)，一旦電路通電，柵極驅(qū)動(dòng)本身的電流就為6 mA。有關(guān)計(jì)算公式如下：

60納庫(kù)×100 kHz=6mA

若假定總的軟啟動(dòng)時(shí)間為10ms，那么FET驅(qū)動(dòng)電流加上Ic的6 mA內(nèi)部電流(總共12mA)可用于確定壓降。UCC2817的最小磁滯電壓滯環(huán)fhysterisis)為5.8V。0.1pF的Vcc電容能否足以在軟啟動(dòng)過(guò)程中為Ic供電呢?『如果最小磁滯電壓滯環(huán)未知，那么應(yīng)使用最小的打開(kāi)電壓和最高的關(guān)閉電壓，根據(jù)欠壓鎖定(UVLO)數(shù)據(jù)來(lái)確定最小磁滯電壓滯環(huán)值』。

如果這個(gè)問(wèn)題的答案是否定的，則表明0.1pF的Vcc電容不夠。在軟啟動(dòng)時(shí)間為10ms，電流為12mA的情況下，0.1pF的電容電壓將改變1，200V。即便電容為1OpF，電壓的改變也會(huì)為12V。在這種情況下，我們將需要1OOpF的電容，這時(shí)的Vcc壓降為1.2V?，F(xiàn)在，我們了解到，Ic和FET需要1OOpF的電容才能處理啟動(dòng)過(guò)程中的功耗。

不過(guò)，研究一個(gè)高頻開(kāi)關(guān)周期后，該怎樣判斷0.1u電容器上的電壓紋波呢?由于影響l00BF電容器高頻特性的ESR和ESL通常較低，因此我們常常忽略大型電容器。Vcc引腳上將出現(xiàn)波紋電壓，且與接地引腳相關(guān)。FET轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的紋波電壓由以下方程式得出：

[(60納庫(kù)/0.1gF)=0.6V]。

除非附近還有另外一個(gè)高頻電容器或用作

頻過(guò)濾器的電容更高的電容器，否則柵極充電時(shí)，會(huì)出現(xiàn)0，6v的負(fù)峰值。在此情況下，lgF電容器是較好的選擇。

應(yīng)當(dāng)承認(rèn)，這似乎是一種極端情況，不過(guò)對(duì)UCC28l7等PFC控制器而言，這又是很現(xiàn)實(shí)的情況。當(dāng)然，這會(huì)導(dǎo)致l00BF電容器的充電時(shí)間問(wèn)題(在此不討論)。

就其它電路而言，比如軟啟動(dòng)時(shí)間為500BF的電路，其軟啟動(dòng)時(shí)間短得多，且內(nèi)部功耗也較低。在采用UCC28C42的情況下，最小開(kāi)啟和最大關(guān)閉電壓分別為l3.5v和l0.0V，最大IC電流消耗為3.0mA。假設(shè)總的柵極驅(qū)動(dòng)電荷僅為上例中的一半即30納庫(kù)，且輸入電容器的容量為0.1gF的話，那么電壓將下降30V。在此情況下，1.0gF的電容器就會(huì)產(chǎn)生3V的壓降。這似乎是可以接受的，一切情況都不錯(cuò)，不過(guò)我們還要考慮其它問(wèn)題。

啟動(dòng)時(shí)，1.0 gF電容器上的電壓為l3.5V。電容器一旦達(dá)到該電壓值，參考電壓引腳上的電容就會(huì)上升到5V。如果參考電壓引腳上的總電容為0.1gF，那么電荷傳輸會(huì)使電壓進(jìn)一步下降0.5V。這樣，似乎設(shè)備剛好具備足夠的正常啟動(dòng)所需電力。如果1.0gF電容器的容差較低，那么設(shè)備可能就難以正常啟動(dòng)。

設(shè)計(jì)人員有時(shí)采用參考電壓V來(lái)給其它負(fù)載加電。例如，UCC28C42的V…保持其穩(wěn)壓，以便達(dá)到20mA的電流。如果v…引腳上加載這種負(fù)載，那么輸入電容器的大小應(yīng)能夠處理軟啟動(dòng)過(guò)程中額外的電流，因?yàn)樽罱K會(huì)從v (Ic的輸入電源引腳)電容器吸收電流。為了將輸入壓降限制在2.6V并確保安全啟動(dòng)，我們需要4.7 的v 電容器。但如果4.7 F電容器的容值偏差為士20%，那么設(shè)備有時(shí)可能難以正常啟動(dòng)，因?yàn)楫?dāng)容值偏差為.20%時(shí)，總壓降可能超過(guò)3.5V。

結(jié)論：

在為電源控制IC選擇輸入電容器時(shí)，首先要采取幾個(gè)步驟。第一，要明確使轉(zhuǎn)換器電壓上升至全電壓并能從自舉線圈向IC提供電流需要多大電力。第二，要明確電容器上的負(fù)載會(huì)產(chǎn)生什么樣的瞬態(tài)波動(dòng)效應(yīng)。

此外，必須估算電力能。電力能主要包括來(lái)自Ic的電容器總負(fù)載(包括V…和其他Vcc線路負(fù)載)、驅(qū)動(dòng)要求的以及Ic的工作電流等。將V 電容提升到一定電壓所需的電荷也要考慮到，因?yàn)橐獜腣cc電容來(lái)吸收電流。

下一步，就要明確Ic的最小開(kāi)啟和最大關(guān)閉電壓，也就是眾所周知的UVLO閾值或最小磁滯電壓滯環(huán)。

最后，要明確從開(kāi)始啟動(dòng)到完成啟動(dòng)所需的最長(zhǎng)時(shí)間。同時(shí)，還要記住考慮電容器的容值的偏差問(wèn)題。

上述三大步驟將明確最小需要什么樣的大型電容器。在選擇高頻電容器時(shí)，不僅要分析Ic上小型電容器應(yīng)提供的高頻電流，而且還要分析從負(fù)載或FET柵極吸收的電流脈沖產(chǎn)生的電壓波動(dòng)。

只有考慮到上述全部因素，我們才能設(shè)計(jì)出安全可靠的Ic輸入電容器，滿足自舉電源轉(zhuǎn)換器的相關(guān)要求。