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1、開關(guān)電源該如何配置電感目錄月錄1刖§11. 開關(guān)電源占空比d、電感值l、效率n公式推導(dǎo)22. 電感最小值選取53. 電感參數(shù)選取63. 1.自激頻率fo63. 2.直流電阻73. 3.飽和電流i(sat)和均方根電流i(rms)(電感燒毀問題)74. 電感類型選取84. 1.同尺寸下的大電感和小電感84. 2.繞線電感和疊層電感84. 3.磁屏蔽電感和非屏蔽電感85. 電感選取,總侖吉86. 開關(guān)電源布局9>刖舌開關(guān)電源(smps)是一種非常高效的電源變換器,其理論值更是接近100%,種類繁多。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分,有boost buck boost-buck、charge-pump
2、等;按開關(guān)控制方式分,有pwm、pfm;按開關(guān)管類別分,有bjt、fet、igbt等。本次討論以數(shù)據(jù)卡電源管理常用的pwm控制buck、boost型為主。那接下來就讓我們一起學(xué)習(xí)下開關(guān)電源該如何配置合適的電感吧開關(guān)電源的主要部件包括:輸入源、開關(guān)管、儲(chǔ)能電感、控制電路、二極管、負(fù)載和輸出電容。目前絕大部分半導(dǎo)體廠商會(huì)將開關(guān)管、控制電路、二極 管集成到一顆cmos/bipolar工藝的電源管理ic中,極大簡(jiǎn)化了外部電路。其中儲(chǔ)能電感作為開關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵器件,對(duì)電源性能的好壞有重要作 用,同時(shí)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師重點(diǎn)關(guān)注和調(diào)試的對(duì)象。隨著以手機(jī)、pmp、數(shù) 據(jù)卡為代表的消費(fèi)類電子設(shè)備的尺寸正朝著輕
3、、薄、小巧、時(shí)尚的趨勢(shì)發(fā)展, 但與之相反產(chǎn)品性能越強(qiáng)所需要的電感和電容容量更大、尺寸更大。因此,如 何在保證產(chǎn)品性能的前提下,減小開關(guān)電源電感的尺寸(所占據(jù)的pcb面積和高 度)是本文要討論的一個(gè)重要命題,設(shè)計(jì)者將不得不在電路性能和電感參數(shù)間進(jìn) 行折中。任何事物都具有兩面性,開關(guān)電源也不例外。壞的pcb布局布線設(shè)計(jì)不但 會(huì)降低開關(guān)電源的性能,更會(huì)強(qiáng)化emc、emi、地彈等。在對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行布 局布線時(shí)應(yīng)注意的問題和遵循的原則也是本文要討論的另一重要命題。1. 開關(guān)電源占空比d、電感值l、效率門公式推導(dǎo)buck型和boost型開關(guān)電源具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文將使用如圖11、12所示的電路參考模型
4、:參考電路模型默認(rèn)電感的dcr(direct constant resistance)為零。buck/boost型開關(guān)電源,伴隨開關(guān)管的開和關(guān),儲(chǔ)能電感的電流波形如圖 1-3所示:從圖中可以看到,電感的電流波形等價(jià)于在直流idc上疊加一個(gè)ip-p值為 i的交流。因而,idc成為輸出電流10,主要消耗在負(fù)載上;交流 i則消耗在負(fù)載電容的esrfequation serial resistance)上,成為輸出紋波vrippleo所以,下面以buck型開關(guān)電源為例推導(dǎo)占空比、電感值和效率公式。在一個(gè)連續(xù)模式的周期內(nèi),開關(guān)管閉合,對(duì)電感進(jìn)行充電,根據(jù)基爾霍夫 定律有:dt近似為:d/f(d:一個(gè)振蕩
5、周期t內(nèi)開關(guān)管0n/off的狀態(tài)的比例關(guān)系,t=l/f, dt=d*t=d/f;d:占空比是高電平所占周期時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值),展開:其中:vi為輸入電壓,vsw為開關(guān)管電壓,vo為輸出電壓,fsw為開關(guān)頻 率,d為占空比。在一個(gè)連續(xù)模式的周期內(nèi),開關(guān)管打開,電感放電,根據(jù)基 爾霍夫定律有:r也叫電流紋波比,是紋波電流與額定輸出電流之比。對(duì)于一個(gè)給定buck型開關(guān)電源,此值一般為常量。從(5)式可以得到:電感值越大,i就越小, 因此r就越小。但這往往導(dǎo)致需要一個(gè)很大的電感才能辦到,所以絕大部分的buck型開關(guān)電源選擇r值在0.250.5之間。將(6)代入(5)式,得到:至此,我們推導(dǎo)出了
6、 buck型開關(guān)電源的d、l、lmin、n。需要提醒的是 以上所有公式都建立在參考電路模型的基礎(chǔ)上,忽略了電感的dcro從(4)式可以看到,占空比只與v(i)、v(o)、v(sw)和v(d)相關(guān),可以很容 易搭建電路計(jì)算出d,這也是開關(guān)電源控制器的核心電路之一,但對(duì)開關(guān)電源 的應(yīng)用者來說,我們可以不關(guān)心。從(8)式可以看出,開關(guān)電源的效率也只與vi、vo、vsw和vd相關(guān)。事實(shí) 上vsw和vd是開關(guān)頻率fsw的函數(shù),所以n也是f(sw)的函數(shù),但并不能保證 fsw越高,n就越高。而對(duì)于一個(gè)給定的buck型開關(guān)電源,其swf是確定的, 所以n也就是定值,尤其在忽略vsw和vd后,n值為1。很明顯
7、這與實(shí)際情 況不符,根本原因就在于“參考模型假定儲(chǔ)能電感為理想電感” 0把(5)式代入(1)式,可以得到:所以,可以通過選用大電感,低esr大容量輸出電容的方法減小輸出紋波 電壓。同理,可以推導(dǎo)出了 boost型開關(guān)電源的d、l、lmin, n如下所示:2. 電感最小值選取公式(7)、(12)分別給出了通用的buck和boost型開關(guān)電源的電感最小值選 取公式。對(duì)像手機(jī)、pmp、數(shù)據(jù)卡這類的消費(fèi)類電子用到的低功率開關(guān)電源, vsw和vd都在0.1v0.3v之間,因此可對(duì)公式、(12)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到:以 pm6658 的 buck 電源 msmc 為例,vi 為 3.8v, vo 為 1.2v,
8、 r 為 0.3, fsw 為1.6mhz, lo.rated為500ma則lmin為3.08uho若選用的電感容差為20%, 1.25*lmin=3.85uho據(jù)計(jì)算值最近的標(biāo)準(zhǔn)電感值為4.7uh,所以pm6658spec 推薦的最小電感值就是4.7uho3. 電感參數(shù)選取除了上面講的感值和容差外,電感還有以下重要參數(shù):自激頻率(fo), dcr, 飽和電流(【sat)和均方根電流(irmsjo盡管參數(shù)很多,但準(zhǔn)則只有一條:盡量保 證fsw下電感的阻抗最小,讓實(shí)際電路和理想模型吻合,降低電感的功耗和熱 量,提高電源的效率。3. 1.自激頻率fo理想模式的電感,其阻抗與頻率呈線性關(guān)系,會(huì)隨頻率
9、升高而增大。實(shí)際 電感模型如圖3-1-1所75,由電感l(wèi)申聯(lián)rdcr和寄生電容c并聯(lián)而成,存在 自激頻率fo。頻率小于fo時(shí)呈感性,大于fo時(shí)呈容性,在fo處阻抗最大。經(jīng)驗(yàn)值:電感的自激頻率fo最好選擇大于10倍開關(guān)頻率fswo3. 2.直流電阻rdcr電感的直流電阻rdcr自身會(huì)消耗一部分功率,使開關(guān)電源的效率下 降,更要命的是這種消耗會(huì)通過電感升溫的方式進(jìn)行,這樣又會(huì)降低電感的感 值,增大紋波電流和紋波電壓,所以對(duì)開關(guān)電源來講,應(yīng)根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)提 供的dcr典型值或最大值的基礎(chǔ)上,盡可能選擇dcr小的電感。3. 3.飽和電流i(sat)和均方根電流i(rms)(電感燒毀問題)電感的飽和電
10、流isat指其感值下降了標(biāo)稱值的10%30%所能通過的最大 電流。電感的均方根電流irms指電感溫度由室溫25°c上升至65°c時(shí)能通過的 均方根電流。isat和irms的大小取決于電感磁飽和與溫度上升至65°c的先后 順序。當(dāng)標(biāo)稱輸出電流大于isat時(shí),電感飽和,感值下降,紋波電流、紋波電壓 增大,效率降低。因此,電感的isat和irms中的最小值應(yīng)高于開關(guān)電源額定 輸出電流的1.3以上。4. 電感類型選取在明確了最小電感值的計(jì)算和電感參數(shù)的選取后,有必要對(duì)市面上一些流 行的電感類型進(jìn)行比較分析,下面會(huì)圍繞:大電感和小電感、繞線電感和疊層 電感、磁屏蔽電感和非屏
11、蔽電感進(jìn)行對(duì)比說明。4. 1.同尺寸下的大電感和小電感這里“同尺寸”指電感的物理形狀大致相同,“大小”指標(biāo)稱容量不同。-般小容量的電感具有如下優(yōu)勢(shì):較低的dcr,在重載時(shí)會(huì)有更高的效率和較少的發(fā)熱;更大的飽和電流;更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度;而大容量的電感具有較低的紋波電流和紋波電壓,較低的ac和傳導(dǎo)損失, 在輕載時(shí)有較高的效率。4. 2.繞線電感和疊層電感相比于繞線電感,疊層電感具有如下優(yōu)勢(shì):具有較小的物理尺寸,占用較少的pcb面積和高度空間;具有較低的dcr,在重載時(shí)有更高的效率;具有較低的ac損失,在輕載時(shí)有更高的效率;但是,疊層電感的isat也較小,因此其在重載時(shí)會(huì)有較大的紋波電流,導(dǎo) 致
12、輸出的紋波電壓也相應(yīng)增大。4. 3.磁屏蔽電感和非屏蔽電感非屏蔽電感會(huì)有較低的價(jià)格和較小的尺寸,但也會(huì)產(chǎn)生emu磁屏蔽電感會(huì)有效屏蔽掉emi,因此更適合無線設(shè)備這樣emi敏感的應(yīng)用,此外它還具有較低的dcro5. 電感選取總結(jié)根據(jù)前面幾節(jié)內(nèi)容的介紹,我們可以按照以下步驟選擇適合的電感:1)計(jì)算lmin和推薦電感參數(shù):fo、rdc、isat、irmso2)在保證1)的前提下,依據(jù)物理尺寸要求和性價(jià)比,折中選擇:大電感還是小電感,疊層電感還是繞線電感,磁屏蔽電感還是非屏蔽電感。6. 開關(guān)電源布局以buck電路為例,不管開關(guān)管是由閉合打開還是打開閉合,電流發(fā)生瞬 變的部分都如圖(c)所示,它們是會(huì)產(chǎn)
13、生非常豐富的諧波分量的上升沿或下降沿。 通俗的講,這些會(huì)產(chǎn)生瞬變的電流跡線就是所謂的“交流”,其余部分是“直 流”。當(dāng)然這里交直流的區(qū)別不是傳統(tǒng)教科書上的定義,而是指開關(guān)管的pwm 頻率只是“交流” fft變換里的一個(gè)分量,而在“直流”里這樣的諧波分量很低, 可忽略不計(jì)。所以儲(chǔ)能電感屬于“直流”也就不奇怪,畢竟電感具有阻止電流 發(fā)生瞬變的特性。因此,在開關(guān)電源布局時(shí),“交流”跡線是最重要和最需要 仔細(xì)考慮的地方。這也是需要牢記的唯一基本定律,并適用于其它法則和拓?fù)洹?下圖表示了 boost電路電流瞬變跡線,注意它和buck電路的區(qū)別。1英寸長(zhǎng),50mm寬,1.4mil厚(1盎司)的銅導(dǎo)線在室溫下的電阻為2.5m q , 若流過電流為1a,則產(chǎn)生的壓降是2.5mv,不會(huì)對(duì)絕大部分ic產(chǎn)生不利影響。 然而,這樣1英寸長(zhǎng)的導(dǎo)線的寄生電感為20nh,由v=l*di/dt可知,若電流變 化快速,可能產(chǎn)生很大的壓降。典型的buck電源在開關(guān)管由開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬 變電流是輸出電流的1.2倍,由關(guān)開是產(chǎn)生的瞬變電流是輸出電流的0.8倍。 fet型開關(guān)管的轉(zhuǎn)換時(shí)間是30ns, bipolar型的是75ns,所以開關(guān)電源“交流” 部分1英寸的導(dǎo)線,流過1a瞬變電流時(shí),就會(huì)產(chǎn)生0.7v的壓降。0.7v相比于 2.5mv,增大了近300倍,所以高
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