為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器

隨著便攜式電子產(chǎn)品的體積在不斷縮小，其復(fù)雜性同時(shí)也在相應(yīng)的提高。這使得設(shè)計(jì)工程師面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。本文以德州儀器TPS6220x系列降壓穩(wěn)壓器為例，向設(shè)計(jì)工程師介紹在權(quán)衡解決方案的占用空間、性能以及成本時(shí)，如何為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器。

隨著手機(jī)、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復(fù)雜性同時(shí)也在相應(yīng)提高，這使設(shè)計(jì)工程師面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。
 

使用DC/DC轉(zhuǎn)換器主要是為了提高效率。很多設(shè)計(jì)都要求將電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的供電電壓，盡管采用線性穩(wěn)壓器即可實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，但它并不能達(dá)到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的高效率。本文將介紹設(shè)計(jì)工程師在權(quán)衡解決方案的占用空間、性能以及成本時(shí)必須要面對(duì)的常見(jiàn)問(wèn)題。

大信號(hào)與小信號(hào)響應(yīng)

開關(guān)轉(zhuǎn)換器采用非常復(fù)雜的穩(wěn)壓方法保持重/輕負(fù)載時(shí)的高效率。現(xiàn)在的CPU內(nèi)核電源要求穩(wěn)壓器提供快速而通暢的大信號(hào)響應(yīng)。例如，當(dāng)處理器從空閑模式切換至全速工作模式時(shí)，內(nèi)核吸收的電流會(huì)從幾十微安很快地上升到數(shù)百毫安。

隨著負(fù)載條件變化，環(huán)路會(huì)迅速響應(yīng)新的要求，以便將電壓控制在穩(wěn)壓限制范圍之內(nèi)。負(fù)載變化幅度和速率決定環(huán)路響應(yīng)是大信號(hào)響應(yīng)還是小信號(hào)響應(yīng)。我們可根據(jù)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)定義小信號(hào)參數(shù)。因此，我們一般將低于穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)10％的變化稱為小信號(hào)變化。

實(shí)際上，誤差放大器處于壓擺范圍(slew limit)內(nèi)，由于負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生速度超過(guò)誤差放大器的響應(yīng)速度，放大器并不控制環(huán)路，所以，在電感器電流達(dá)到要求之前，由輸出電容器滿足瞬態(tài)電流要求。

大信號(hào)響應(yīng)會(huì)暫時(shí)使環(huán)路停止工作。不過(guò)，在進(jìn)入和退出大信號(hào)響應(yīng)之前，環(huán)路必須提供良好的響應(yīng)。環(huán)路帶寬越高，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度就越快。

從小信號(hào)角度來(lái)看，盡管穩(wěn)壓環(huán)路可以提供足夠的增益和相位裕度，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換器在線路或負(fù)載瞬態(tài)期間仍然可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和振鈴現(xiàn)象。在選擇外部元件時(shí)，電源設(shè)計(jì)工程師應(yīng)意識(shí)到這些局限性，否則其設(shè)計(jì)就有可能遇到麻煩。

電感器選型

以圖1所示的基本降壓穩(wěn)壓器為例，說(shuō)明電感器的選型。

對(duì)大多數(shù)TPS6220x應(yīng)用而言，電感器的電感值范圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取決于期望的紋波電流。一般建議紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的20％。如等式1所示，較高的V_IN或V_OUT也會(huì)增加紋波電流。電感器當(dāng)然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關(guān)電流。

以增加輸出電壓紋波為代價(jià)，使用低值電感器便可提高輸出電流變化速度，從而改善轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。

可將線圈總損耗結(jié)合到損耗電阻(R_s)中，該電阻與理想電感(L_s)串聯(lián)，組成了一個(gè)如圖1所示的簡(jiǎn)化等效電路。

盡管R_s損耗與頻率有關(guān)，但在產(chǎn)品說(shuō)明書中仍對(duì)直流電阻(R_DC)進(jìn)行了定義。該電阻取決于所采用的材料或貼片電感器的構(gòu)造類型，在室溫條件下通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻測(cè)量即可獲得。R_DC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應(yīng)當(dāng)避免長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)電流額定值。

線圈的總耗損包括R_DC中的耗損和下列與頻率相關(guān)聯(lián)的耗損分量：磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗)；趨膚效應(yīng)造成的導(dǎo)體中的其他耗損(高頻電流位移)；相鄰繞組的磁場(chǎng)損耗(鄰近效應(yīng))；輻射損耗

可將上述所有耗損分量組合在一起構(gòu)成串聯(lián)耗損電阻(R_s)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質(zhì)。然而，我們無(wú)法用數(shù)學(xué)方法確定R_s。因此，我們一般采用阻抗分析儀在整個(gè)頻率范圍內(nèi)對(duì)電感器進(jìn)行測(cè)量。這種測(cè)量可以確定X_L(f)、R_s(f)和Z(f)個(gè)別分量。

我們將電感線圈電抗(X_L)與總電阻(R_s)之比稱為品質(zhì)因素Q，參見(jiàn)公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數(shù)。損耗越高，電感器作為儲(chǔ)能元件的品質(zhì)就越低。

品質(zhì)—頻率圖可以幫助選擇針對(duì)特定應(yīng)用的最佳電感器結(jié)構(gòu)。如測(cè)量結(jié)果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作范圍定義為一直延伸到品質(zhì)拐點(diǎn)。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會(huì)劇增(Q降低)。

良好設(shè)計(jì)的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應(yīng)改變電感器的大小/電流和價(jià)格/電流關(guān)系。采用鐵氧體材料的屏蔽電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。選擇何種電感器往往取決于價(jià)格與尺寸要求以及相應(yīng)的輻射場(chǎng)/EMI要求。 [!--empirenews.page--]

輸出電容器

消除輸出電容器可以在成本和占板空間兩方面實(shí)現(xiàn)節(jié)省。輸出電容器的基本選擇取決于紋波電流、紋波電壓以及環(huán)路穩(wěn)定性等各種因素。

輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會(huì)直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((I_L)和輸出電容器的ESR可以簡(jiǎn)單地估測(cè)輸出紋波電壓。

因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)選用ESR盡可能低的電容器。例如，采用X5R/X7R技術(shù)的4.7uF到10uF電容器表現(xiàn)為10m(范圍的ESR值。輕負(fù)載(或者不考慮紋波的應(yīng)用)也可以使用容值更小的電容器。

TI的控制環(huán)路架構(gòu)使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時(shí)還可以補(bǔ)償控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。

TPS6220x系列降壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償功能。因此，必須選擇支持內(nèi)部補(bǔ)償功能的外部LC濾波器。對(duì)于此類器件而言，內(nèi)部補(bǔ)償最適合16kHz的LC轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)，即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)法則，在選用不同輸出濾波器時(shí)，L*C乘積不應(yīng)當(dāng)大范圍變動(dòng)。在選擇更小的電感器或電容器值時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)角頻率增加至更高頻率，因此這一點(diǎn)尤為重要。

在從負(fù)載瞬態(tài)出現(xiàn)到打開P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負(fù)載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會(huì)造成經(jīng)過(guò)ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低，輸出電容器提供負(fù)載電流時(shí)的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸并且提升TPS62200轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。