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為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器
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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的率。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(kāi)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(kāi)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VIN或VOUT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(kāi)關(guān)電流,。
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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(Rs)中,，該電阻與理想電感(Ls)串聯(lián),，組成了一個(gè)如圖1所示的簡(jiǎn)化等效電路。
盡管Rs損耗與頻率有關(guān),，但在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中仍對(duì)直流電阻(RDC)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,。RDC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,。
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圖1：TPS6220x基本降壓穩(wěn)壓器
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(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(Rs)。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Rs。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XL(f)、Rs(f)和Z(f)個(gè)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(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,。
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品質(zhì)—頻率圖可以幫助選擇針對(duì)特定應(yīng)用的*電感器結(jié)構(gòu)。如測(cè)量結(jié)果圖2所示,，可以將損耗zui低(Q值z(mì)ui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。
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((IL)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,。