合理選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器的外部元件

過(guò)去數(shù)十年來(lái)，電子產(chǎn)品的發(fā)展可謂一日千里。以個(gè)人通信設(shè)備為例，由最初的奢侈品到現(xiàn)在的廣泛普及，電子產(chǎn)品無(wú)論從重量、體積還是效率，都有了翻天覆地的變化。但是不論電子產(chǎn)品變化多快，種類多么繁多，電源—這一電子產(chǎn)品的“動(dòng)力”裝置，往往很容易被很多電子工程師所忽視。本文便以 MAX8640Y/Z為例，重點(diǎn)闡述DC/DC轉(zhuǎn)換器外圍器件如何選取以及電路設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的選擇

當(dāng)今電子設(shè)備正朝更輕更薄更小巧的方向發(fā)展，采用小型封裝，例如SOT23、TDFN或者SC70等封裝的器件正越來(lái)越受到設(shè)計(jì)人員的青睞。

對(duì)于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，工作頻率越高，所要求的外部元件，比如電感以及電容值就越低，尺寸就越小。但MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗也與開(kāi)關(guān)頻率成正比。因此，選擇的開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)該折衷考慮物理尺寸和轉(zhuǎn)換效率。

以Maxim公司提供的MAX8640Y/Z為例，該系列器件采用SC70封裝，工作在4MHz/2MHz的開(kāi)關(guān)頻率下，能夠在500mA 的輸出電流下保證高效率。該器件適合用于為微處理器或DSP內(nèi)核供電，或者用于I/O供電。所采用的SC70封裝僅為2mm×2.1mm，是業(yè)界尺寸最小的解決方案。

轉(zhuǎn)換器外圍器件的選取以及布局

這里包括輸出電感值的選擇，電感類型的選擇，續(xù)流二極管的選擇（對(duì)于非同步整流轉(zhuǎn)換器而言），輸入/輸出電容的選擇。

1 首先是電感的選擇

對(duì)于便攜設(shè)備來(lái)說(shuō)，電感所占的空間往往最大，同時(shí)也增加了開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的成本。電感值越小，電感的物理尺寸就越小，瞬態(tài)相應(yīng)就越快，但同時(shí)也將產(chǎn)生較大的紋波電流，從而降低調(diào)節(jié)器的效率，也使輸出電壓的紋波變大。理論中，最小的電感值應(yīng)使電路工作在臨界傳導(dǎo)狀態(tài)，即負(fù)載電流最大時(shí)電感電流在每個(gè)周期正好回零。實(shí)際應(yīng)用中，通常結(jié)合LIR（電感紋波電流與設(shè)計(jì)的最大負(fù)載電流之比）、輸入/輸出電壓、工作頻率以及最大負(fù)載電流選擇電感值。通常建議將LIR值選取介于20%～50%之間?？梢詤⒖脊?選擇電感的值。

(1)

其中，VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，f為轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，LIR為電感紋波電流與設(shè)計(jì)的最大負(fù)載電流之比，ILOAD(MAX)為最大負(fù)載電流。

另外，除了電感值，電感的類型也是優(yōu)化電路設(shè)計(jì)所必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵所在，這也是手機(jī)制造商成本的關(guān)鍵所在。以目前手機(jī)中常用的繞線電感和疊層電感為例，疊層電感相比饒線電感而言，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)，且尺寸上比線繞電感要小50%以上。另外，在滿足尺寸和電感值要求的前提下，應(yīng)選擇電感直流阻抗盡可能小的電感，以降低電感的直流損耗。

此外，電感磁芯材料也是選擇電感時(shí)應(yīng)該加以考慮的重要因素。常用的磁芯材料分為兩大類，一類是粉狀磁芯，以鐵粉芯、High Flux高磁通磁粉芯以及Kool Mμ為代表；另一類是鐵氧體磁芯。兩種磁芯材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在選擇的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)成本、性能、尺寸等因素綜合考慮進(jìn)行選擇。相對(duì)粉狀磁芯電感，鐵氧體磁芯的電感具有較低的磁芯損耗，同時(shí)具有較高的開(kāi)關(guān)頻率（高達(dá)MHz）。因此，鐵氧體磁芯通常是此類應(yīng)用的最佳選擇。當(dāng)然，鐵粉磁芯也有其優(yōu)越性，例如鐵粉磁芯的成本相對(duì)鐵氧體要低得多；另外，粉狀磁芯的電感隨著流過(guò)電感的直流偏置電流的變大要下降得緩慢些，相當(dāng)于具有“軟”飽和特性，而鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會(huì)迅速下降（見(jiàn)圖1），因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要留有更多的余量，防止電感出現(xiàn)飽和。如圖1所示，粉狀磁芯的電感值隨著負(fù)載電流的增大下降相對(duì)緩慢。鐵粉磁芯往往是用于一些對(duì)功耗要求不甚敏感，開(kāi)關(guān)頻率也不高（<200kHz），但注重成本的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 輸出電容的選擇

選擇輸出電容應(yīng)考慮到兩點(diǎn)。一是輸出電容的容值；二是輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。電容應(yīng)具有一定的容值，以確保輸出的穩(wěn)定。ESR 必須足夠低，以降低輸出電壓的紋波。參考公式2。輸出電容的ESR大小取決于能接受的輸出紋波電壓。降壓控制器的紋波電壓大小大約等于輸出電容的ESR乘以電感的紋波電流。

實(shí)際選取電容時(shí)，除了與滿足低ESR要求所需要的物理尺寸有關(guān)外，還與電容器的化學(xué)類型有關(guān)。因此，通常在選擇電容時(shí)，首先應(yīng)考慮的是ESR和額定電壓值，而不是容值的大小（這一原則是用于鉭、OS-CON和其他類型的電解電容）。

(2)

同時(shí)，電容的ESR還不能太低，必須保證ESR足夠高以滿足穩(wěn)定性的要求，還應(yīng)保證ESR零點(diǎn)遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率。鑒于陶瓷電容的低ESR特性，很多應(yīng)用中都推薦采用。

3 輸入電容的選擇

輸入電容可以降低電源側(cè)的電流尖峰以及IC的開(kāi)關(guān)噪聲。輸入電容的阻抗應(yīng)盡可能小。建議采用陶瓷電容，因?yàn)樘沾呻娙菥哂泻苄〉某叽缫约昂艿偷腅SR。

4 整流二極管

對(duì)于非同步整流的DC/DC轉(zhuǎn)換器，整流二極管的壓降上將產(chǎn)生比較大的功率損耗，因此，為了提高效率，應(yīng)該選擇具有超低正向壓降的肖特基二極管。

圖2 MAX8640Z針對(duì)手機(jī)應(yīng)用中SDRAM供電的應(yīng)用電路

圖2給出了MAX8640Z針對(duì)手機(jī)應(yīng)用中SDRAM供電的應(yīng)用電路，該電路設(shè)計(jì)能夠輸出1.8V電壓，可提供100mA的最大輸出電流。電容選擇Taiyo Yuden的LB1608T1R0M或LBMF1608T1R0M，輸入/輸出電容選擇TDK的C1005X5R0J105K，所有器件所占的總面積等于 2mm×2.1mm（SC70的尺寸）+1.6mm×0.8mm（電感的尺寸）+2×1.0mm×0.5mm（輸入/輸出電容的尺寸）=6.48mm2，比現(xiàn)有解決方案節(jié)省超過(guò)25%的面積。

結(jié)論

DC/DC轉(zhuǎn)換器的外圍元件選取，直接關(guān)系到電路的電氣性能（包括電壓輸出紋波、輸出帶載能力、功耗）、體積、成本等多方面因素。因此必須在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該對(duì)電源的要求有清晰的了解，為設(shè)計(jì)留下充足的余量。