為DCDC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器

1、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)雜性同時也在相應(yīng)的提高。這使得設(shè)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(shè)計工程師介紹在權(quán)衡解決方案的占用空間、性能以及成本時，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、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復(fù)雜性同時也在相應(yīng)提高，這使設(shè)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(zhuǎn)換器主要是為了提高效率。很多設(shè)計都

2、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)壓器即可實現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，但它并不能達到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計的高效率。本文將介紹設(shè)計工程師在權(quán)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(yīng)開關(guān)轉(zhuǎn)換器采用非常復(fù)雜的穩(wěn)壓方法保持重/輕負載時的高效率?，F(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響應(yīng)。例如，當處理器從空閑模式切換至全速工作模式時，內(nèi)核吸收的電流會從幾十微安很快地上升到數(shù)百毫安。隨著負載條件變化，環(huán)路會迅速響應(yīng)新的要求，以便將電壓控制在穩(wěn)壓限制范圍之內(nèi)。負載變化幅度和速率決定環(huán)路響應(yīng)是大信號響應(yīng)還是小信號響應(yīng)。我們可根據(jù)穩(wěn)態(tài)工作點定義小信號參數(shù)。因此，

3、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(nèi)，由于負載瞬態(tài)發(fā)生速度超過誤差放大器的響應(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(yīng)會暫時使環(huán)路停止工作。不過，在進入和退出大信號響應(yīng)之前，環(huán)路必須提供良好的響應(yīng)。環(huán)路帶寬越高，負載瞬態(tài)響應(yīng)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(guān)轉(zhuǎn)換器在線路或負載瞬態(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，電源設(shè)計工程師應(yīng)意識到這些局限性，否則其設(shè)計就有可能遇到麻煩。電感器選型以圖1所示的基本降

4、壓穩(wěn)壓器為例，說明電感器的選型。對大多數(shù)TPS6220x應(yīng)用而言，電感器的電感值范圍為4.7uH10uH。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(guān)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(zhuǎn)換器的負載瞬態(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(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(guān)，但在產(chǎn)品說明書中仍

5、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(gòu)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(yīng)當避免長時間超過電流額定值。                             圖1：TPS6220x基本降壓穩(wěn)壓器。  

6、0;          線圈的總耗損包括RDC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(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質(zhì)。然而，我們無法用數(shù)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(nèi)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。我們將電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質(zhì)因素Q，參見公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數(shù)。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質(zhì)就越低。品質(zhì)頻率圖可以幫助選擇針對特定應(yīng)用的最佳電感器結(jié)構(gòu)。如測量結(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。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會劇增(Q降低)。良好設(shè)計的電感器效率降