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如何為DC/DC轉換器選擇合適的電感器與電容器

發(fā)布時間:2011-12-13

中心議題:

  • 如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器
  • 介紹工程師在權衡解決方案必須要面對的問題

解決方案:

  • 選用ESR盡可能低的電容器
  • 采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器


隨著便攜式電子產品的體積在不斷縮小,其復雜性同時也在相應的提高。這使得設計工程師面臨的問題越來越多,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,向設計工程師介紹在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時,如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器。

隨著手機、PDA以及其它便攜式電子產品在不斷小型化,其復雜性同時也在相應提高,這使設計工程師面臨的問題越來越多,如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。

使用DC/DC轉換器主要是為了提高效率。很多設計都要求將電池電壓轉換成較低的供電電壓,盡管采用線性穩(wěn)壓器即可實現這一轉換,但它并不能達到基于開關穩(wěn)壓器設計的高效率。本文將介紹設計工程師在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時必須要面對的常見問題。

大信號與小信號響應

開關轉換器采用非常復雜的穩(wěn)壓方法保持重/輕負載時的高效率?,F在的CPU內核電源要求穩(wěn)壓器提供快速而通暢的大信號響應。例如,當處理器從空閑模式切換至全速工作模式時,內核吸收的電流會從幾十微安很快地上升到數百毫安。

隨著負載條件變化,環(huán)路會迅速響應新的要求,以便將電壓控制在穩(wěn)壓限制范圍之內。負載變化幅度和速率決定環(huán)路響應是大信號響應還是小信號響應。我們可根據穩(wěn)態(tài)工作點定義小信號參數。因此,我們一般將低于穩(wěn)態(tài)工作點10%的變化稱為小信號變化。

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

大信號響應會暫時使環(huán)路停止工作。不過,在進入和退出大信號響應之前,環(huán)路必須提供良好的響應。環(huán)路帶寬越高,負載瞬態(tài)響應速度就越快。

從小信號角度來看,盡管穩(wěn)壓環(huán)路可以提供足夠的增益和相位裕度,但是開關轉換器在線路或負載瞬態(tài)期間仍然可能出現不穩(wěn)定狀態(tài)和振鈴現象。在選擇外部元件時,電源設計工程師應意識到這些局限性,否則其設計就有可能遇到麻煩。

電感器選型

以圖1所示的基本降壓穩(wěn)壓器為例,說明電感器的選型。


圖1 TPS6220x基本降壓穩(wěn)壓器
 

對大多數TPS6220x應用而言,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低于平均電感電流的20%。如等式1所示,較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當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電流。
 
以增加輸出電壓紋波為代價,使用低值電感器便可提高輸出電流變化速度,從而改善轉換器的負載瞬態(tài)響應。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。

可將線圈總損耗結合到損耗電阻(Rs)中,該電阻與理想電感(Ls)串聯(lián),組成了一個如圖1所示的簡化等效電路。

盡管Rs損耗與頻率有關,但在產品說明書中仍對直流電阻(RDC)進行了定義。該電阻取決于所采用的材料或貼片電感器的構造類型,在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此,應當避免長時間超過電流額定值。

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

可將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯(lián)耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質。然而,我們無法用數學方法確定Rs。因此,我們一般采用阻抗分析儀在整個頻率范圍內對電感器進行測量。這種測量可以確定XL(f)、Rs(f)和Z(f)個別分量。
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我們將電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質因素Q,參見公式(2)。品質因素被定義為電感器的品質參數。損耗越高,電感器作為儲能元件的品質就越低。

品質—頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結構。如測量結果圖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拐點。如果在更高的頻率使用電感器,損耗會劇增(Q降低)。


 圖2 品質—頻率圖
 

良好設計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改變電感器的大小/電流和價格/電流關系。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格與尺寸要求以及相應的輻射場/EMI要求。

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現節(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)和電感器值會直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡單地估測輸出紋波電壓。

因此,設計時應當選用ESR盡可能低的電容器。例如,采用X5R/X7R技術的4.7uF到10uF電容器表現為10m(范圍的ESR值。輕負載(或者不考慮紋波的應用)也可以使用容值更小的電容器。

TI的控制環(huán)路架構使您能夠采用自己首選的輸出電容器,同時還可以補償控制環(huán)路,以實現最佳的瞬態(tài)響應和環(huán)路穩(wěn)定性。當然,內部補償能夠理想地支持一系列工作條件,而且能夠敏感地響應輸出電容器參數變化。

TPS6220x系列降壓轉換器具有內部環(huán)路補償功能。因此,必須選擇支持內部補償功能的外部LC濾波器。對于此類器件而言,內部補償最適合16kHz的LC轉角頻率(corner frequency),即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據一般經驗法則,在選用不同輸出濾波器時,L*C乘積不應當大范圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時,會造成轉角頻率增加至更高頻率,因此這一點尤為重要。

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

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