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為便攜產(chǎn)品DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇*的電感
隨著無(wú)線手持設(shè)備,、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品的外形尺寸不斷縮小，其復(fù)雜程度也持續(xù)增加,，設(shè)計(jì)工程師將要面對(duì)越來(lái)越多的問(wèn)題,，包括電池壽命、板載面積、發(fā)熱量及功率消耗,。
當(dāng)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí),，效率是zui主要的目標(biāo)。許多設(shè)計(jì)需求都涉及到將確定的電池電壓轉(zhuǎn)換至某個(gè)較低的供電電壓,。盡管線性穩(wěn)壓器可實(shí)現(xiàn)此目標(biāo),，但卻無(wú)法達(dá)到基于交換調(diào)節(jié)器(switching regulator)類設(shè)計(jì)的效率。本文將探討若干個(gè)設(shè)計(jì)人員在折衷解決方案尺寸,、性能集成本所需面對(duì)的,，zui常見的問(wèn)題。
大信號(hào)響應(yīng)vs.小信號(hào)響應(yīng)
開關(guān)變換器基于非常復(fù)雜的穩(wěn)壓電路配置,，以保持任意負(fù)載情況下的率?，F(xiàn)代的CPU核心電源需要穩(wěn)壓器具有快速及順暢的大信號(hào)響應(yīng)。例如,，當(dāng)處理器由閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)換至全速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí),，核心所汲取的電流可非常快速的從若干個(gè)微安培(micro-amp)上升至兩百多個(gè)毫安培(milli-amp),。
隨著負(fù)載狀態(tài)的不斷改變,，回路也快速的響應(yīng)著的需求，以確保電壓處于穩(wěn)壓限之內(nèi),。負(fù)載改變的總量及速率決定了回路的響應(yīng)應(yīng)稱為大信號(hào)響應(yīng)還是小信號(hào)響應(yīng),。在此，我們基于某個(gè)狀態(tài)恒定的工作點(diǎn)定義小信號(hào)參數(shù),。因此，我們一般認(rèn)定在恒定狀態(tài)點(diǎn)上下10%的變動(dòng)稱為小信號(hào)改變,。
在實(shí)踐中,，誤差放大器具有轉(zhuǎn)換(slew)的限制而不用于控制回路，因?yàn)樨?fù)載的瞬變所發(fā)生時(shí)間非常短,，超出了誤差放大器的響應(yīng)范圍,，從而，輸出電容將抑制瞬變的電流直至電感電流能“趕上(catch up)”,。
大信號(hào)響應(yīng)可能臨時(shí)性的使回路脫離工作狀態(tài),。盡管如此，還是要求回路在進(jìn)入或脫離大信號(hào)響應(yīng)時(shí)必須平滑順暢,?；芈返膸捲綄挘瑢?duì)于負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)程度就越快,。
盡管穩(wěn)壓回路在預(yù)期的小信號(hào)情況下可展示出足夠的增益及相位裕量,，但開關(guān)變換器在線路或負(fù)載瞬變時(shí)仍可能出現(xiàn)不穩(wěn)定及振蕩。在選擇外部元件時(shí),，電源設(shè)計(jì)者需要清楚地了解此類限制,，否則,，其設(shè)計(jì)將難于成功。
電感選擇
基本的壓降穩(wěn)壓器如圖1所示,，用于圖示說(shuō)明電感的選擇,。
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圖1 電感選擇
對(duì)于絕大多數(shù)的TPS6220x應(yīng)用，電感值可選在4.7μH至10μH的范圍內(nèi),。該電感值是基于所期望的紋波電流而選取的,。通常情況下，所推薦的工作紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的20%,。高輸入輸出電壓（VIN 或 VOUT）同樣會(huì)增加了紋波電流,，如下面的方程1所示。很明顯的,，電感必須能處理此類峰值轉(zhuǎn)換電流,，以避免核心電路的飽和狀態(tài)（意味著電感的能量損失）。
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在以更高的輸出電壓紋波為代價(jià)時(shí),，小電感將導(dǎo)致更高的輸出電流轉(zhuǎn)換速率,，從而改善轉(zhuǎn)換器對(duì)負(fù)載的瞬變響應(yīng)。大電感則會(huì)降低紋波電流并降低線圈的磁滯損耗(magnetic hysteresis losses),。
總體的線圈損失可并入到損耗電阻(Rs)之中,，在此把實(shí)際的電感看成損耗電阻與理想電感的串聯(lián)。從而簡(jiǎn)化了等效電路,，如圖2所示,。
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圖2 簡(jiǎn)化等效電路
盡管Rs上的損失是頻率相關(guān)的，但直流阻抗(RDC)還是一直作為數(shù)據(jù)表中的規(guī)范參數(shù)進(jìn)行定義,。該阻抗取決于所采用的繞線材料或SMD（表面貼裝器件）電感的構(gòu)建類型,，并在室溫下通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻測(cè)量得到。
直流阻抗的大小對(duì)線圈溫度的升高有著直接的影響,。因此,，應(yīng)極力避免超過(guò)額定電流的現(xiàn)象。
總體的線圈損耗同時(shí)包括了直流阻抗RDC的損耗以及取決于頻率變化的損耗分量：
• 線圈材料損耗（磁滯損耗,、渦流[eddy-current]損耗）
• 電感附帶的趨膚效應(yīng)損耗（高頻電流轉(zhuǎn)換）
• 鄰近線圈的磁場(chǎng)損耗（鄰近效應(yīng)）
• 輻射損失
上述所有的損失分量都可歸結(jié)于串聯(lián)的損耗電阻(Rs),。損耗電阻主要用于定義電感的品質(zhì)。但不足的是,，數(shù)學(xué)上定義的損耗電阻Rs與實(shí)際并不相符,。因此，電感通常需要采用阻抗分析儀進(jìn)行整個(gè)頻帶的測(cè)量,。該測(cè)量可給出獨(dú)立的分量XL(f),、Rs(f) 以及 Z(f)。
感應(yīng)線圈的電抗(XL)與總體電阻(Rs)的比值通常稱為品質(zhì)因數(shù)Q，如方程2所示,。品質(zhì)因數(shù)定義了電感的品質(zhì)特性,。損耗越大，則電感作為儲(chǔ)能單元的效果也就越差,。
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圖3a Q vs.頻率(Hz)
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圖3b. Rs (Ω) vs. 頻率 (Hz)
圖3a/3b 4.7-μH繞線式(wire wound)電感,，RDC=240mΩ / ISAT=700mA
圖3a及3b所示的品質(zhì)—頻率曲線圖有助于為特定應(yīng)用挑選*的電感架構(gòu)。如圖的測(cè)量結(jié)果所示,，工作頻率內(nèi)損失zui小的點(diǎn)（即Q值z(mì)ui高點(diǎn)）定義為品質(zhì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn),。如果電感被用于更高的頻率，則損失將急劇增加（Q值下降）,。
設(shè)計(jì)優(yōu)良的電感僅會(huì)降低較小百分比的效率,。不同的核心材料及形狀也將改變電感的尺寸/電流以及價(jià)格/電流的關(guān)系。具有防護(hù)層的鐵酸鹽電感更小,，且能量輻射也更低,。該選用那種類型的電感通常取決于價(jià)格vs.尺寸的需求以及可能的任意輻射場(chǎng)/電磁干擾需求。