DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器中電感的選擇

1、在大多數(shù)降壓型DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，成本、尺寸、電阻和電流容量決定了電感的選取。很多這種應(yīng)用都在開關(guān)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊或評估板中給出了特定的電感值，但是這些值通常都針對特定應(yīng)用或者滿足特定性能標(biāo)準(zhǔn)。本文中將討論使用開關(guān)穩(wěn)壓器MAX8646的評估板來評估各種電感的效率、噪聲(輸出紋波)和暫態(tài)響應(yīng)。 該評估板包含有一個(gè)0.47mH電感，可以同時(shí)提供較高的效率和快速負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)。較低的電感值導(dǎo)致較低的效率，較大的電感以暫態(tài)響應(yīng)為代價(jià)提供更高的效率。本文中討論的其他電感經(jīng)過選擇可以與評估板的PCB封裝相匹配，并且能以最小的改動(dòng)(如果需要)來配合評估板的電路。 尺寸考慮 表1中兩個(gè)系列的電感提供不同的磁芯

2、尺寸。它們的外形相似，但是FDV0630系列電感在電路板上要高1mm。較高的高度使得使用較短的銅線成為可能-使用更大的直徑或較少的匝數(shù)，或二者兼具。 0.2mH以及更低的電感表現(xiàn)出很低的效率，因此不考慮更小的電感。較小的電感值還帶來較大的峰值電流，它必須保持低于MAX8646的最低電流限制以防止失穩(wěn)。另一方面，大于1H的電感也不合適。請注意較大的FDV0630系列電感具有相同的電感值和引腳，但是提供更低的電阻和更高的額定電流。關(guān)于電感磁芯的尺寸、材料和磁導(dǎo)率的詳細(xì)比較本文將不贅述。 表1-評估電感 磁芯的考慮 Toko公司的FDV系列電感采用鐵粉芯，它們提供更好的溫度穩(wěn)定性并且相對于其他可選磁

3、芯成本更低。其他選擇是鉬坡莫合金粉末(MPP)、氣隙鐵氧體以及鐵硅鋁磁合金(Kool Mm)或高磁通磁環(huán)。鑒于混合鎳、鐵和鉬粉末的成本，MPP通常是最昂貴的選擇，鐵硅鋁磁合金是一種次昂貴的復(fù)合粉末磁芯。在多數(shù)電源中常見的罐形、E和EI形磁芯為氣隙鐵氧體。這些外形可以在必要時(shí)提供靈活性和可變性，但是成本更高。高磁通磁環(huán)通常用于濾波電感而不是電源變換電路。 性能評估和效率比較 圖1電路中各種電感的效率比較顯示，在輸出電流低于2A時(shí)1H電感具有最好的效率，在低于3A時(shí)0.2H的效率最低。在電感量相同時(shí)，尺寸較大(FDV0630)直流電阻較低的電感在整個(gè)輸出電流范圍內(nèi)可提供0.5%至1%的效率提升。

4、圖1：降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器MAX8646評估電路。 對于FDV0620系列的0.47mH和1mH電感，可以注意到在2A附近其效率曲線有一個(gè)交叉：2A以下1H電感具有較高的效率，2A以上0.47H的效率更高。1H電感所具有的較大串聯(lián)電阻導(dǎo)致了這種效率的差異。 另一種性能折衷可以從電感電流、電感電壓和輸出電壓紋波的典型波形中看出。使用電感量較小的FDV0620-0.47mH產(chǎn)生較高的峰值電流。輸出電壓紋波低于18mV峰峰值，而FDV630-1.0mH電感產(chǎn)生的紋波峰峰值剛超過12mV。峰值電流對輸出電容充電并且提供負(fù)載電流。在電容的ESR上會(huì)流入和流出較大的電流，這將產(chǎn)生較高的輸出電壓紋波。如果必要，

5、可以通過使用較大的輸出電容來降低該紋波。 負(fù)載暫態(tài)的比較 不同的電感提供不同的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)(IC和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)同樣對該響應(yīng)有貢獻(xiàn))。MAX8646需要外部補(bǔ)償，但是其他開關(guān)穩(wěn)壓器IC包含內(nèi)部補(bǔ)償，它們通常指定允許的電感值范圍。從另一方講，外部補(bǔ)償允許設(shè)計(jì)更加靈活。 圖2和圖3給出了圖1所示電路在從2A至5A再返回至2A的負(fù)載階躍時(shí)FDV0620-0.47H和FDV0620-1H電感的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)，在圖3中，外部補(bǔ)償經(jīng)過調(diào)整以配合1mH電感值。參考圖1，改變了以下三個(gè)元件來達(dá)到該目的：C10 = 1000pF，R4 = 5900W，R6 = 316W。請注意圖2中的輸出電壓過沖要低于圖3。對于具有相

6、同電感量的DV0620和FDV0630系列，測量到的響應(yīng)相同。 圖2：圖1電路使用FDV0620系列的0.47F電感工作在3.3V輸入，1.8V輸出，2A-5A輸出電流時(shí)的負(fù)載暫態(tài)。 圖3：類似于圖2，但是使用FDV0620系列的1F電感。工作原理 在描述了電感選擇的測量結(jié)果之后，我們現(xiàn)在概括其工作原理。下面的等式忽略真實(shí)電感的寄生特性，但是它仍可為電感的工作原理提供良好的理解： 高邊MOSFET在電感充電期間(tON)導(dǎo)通，將電感連接至輸入電源電壓。在確定電感值以后，可以用tON = DT替換dt，用(VIN-VOUT)替換V，然后計(jì)算DI (即di)。表2給出了圖1所示電路中DI與本文所討

7、論的電感之間的對應(yīng)關(guān)系。圖1中電路滿足表2參數(shù)的條件是VIN= 3.3V，VOUT = 1.8V，DT=D*T，其中D為占空比(VOUT/VIN)，T為開關(guān)周期(1/fS)。 表2：給定電感值與電感電流變化值。 di/dt(DI/DT)的中值等于IOUT，因此峰值電流等于IOUT加DI/2?？梢钥吹皆谪?fù)載電流相同時(shí)較小的電感將導(dǎo)致較大的峰值電流。 直流電阻 IC和電感的功率損耗可以從效率曲線得到。對于FDV0620-0.47mH，輸出電流取1A時(shí)效率為92.5%，輸出功率為1A乘以1.8V即1.8W，因此輸入功率為1.8/0.925 = 1.946W。總損耗為PIN -POUT = 0.146

8、W。主要的功率損耗來自電感直流電阻、MOSFET RDS(ON) (導(dǎo)通電阻)以及開關(guān)損耗。IOUT 2*DCR(直流電阻)等于電感的功率損耗。 FDV0620-0.47uH在1A輸出電流時(shí)的DCR損耗為8.3mW，占總損耗的5.7%。在IOUT= 4A，PIN = 8.1W，POUT = 7.2W (效率= PIN/POUT = 88.9%)時(shí)，總損耗為PIN- POUT = 0.9W；FDV0620-0.47uH在4A時(shí)DCR損耗為132.8mW，占總損耗的14.7%。IOUT< sup>2的結(jié)果是在較大輸出電流時(shí)DCR損耗更大。 表3：DCR引起的功率損耗。 導(dǎo)通損耗 導(dǎo)通損

9、耗是電感電流或IOUT、占空比(D)和R DS(ON)的函數(shù)： PCOND = I LX < sup>2 * R DS(ON) * D 高邊導(dǎo)通損耗為： 1A輸出電流時(shí)， 4A輸出電流時(shí)， 低邊導(dǎo)通損耗為： 1A輸出電流時(shí)， 4A輸出電流時(shí)， 1A時(shí)R DS(ON)取室溫時(shí)測量的典型值，但是大電流時(shí)MOSFET工作在較高的溫度。R DS(ON)可以進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)較高的溫度，因此在4A輸出電流時(shí)取33mW。 開關(guān)損耗 開關(guān)損耗發(fā)生在開關(guān)打開和關(guān)閉的過程中，由MOSFET柵極電容充放電電流引起。在開關(guān)打開的瞬間，開關(guān)兩端的電壓較高，但是在電壓下降前電流持續(xù)上升。下面的等式可以使用逼近法粗略計(jì)算開關(guān)的功率損耗： 其中t SW為開通或關(guān)閉時(shí)間，f SW為開關(guān)頻率。對于1A輸出電流， 在本例中無法方便的測量t SW，因?yàn)镸AX8646的開關(guān)內(nèi)置，它們共享公共連接LX(引腳15-16)。在死區(qū)時(shí)間前后，LX端的上升和下降時(shí)間大致各為5ns。 上面的功率損耗計(jì)算同時(shí)適用于開通和關(guān)閉。因?yàn)楸纠蠰X端的上升和下降時(shí)間t SW相同，可以將該數(shù)值乘以4。如果MOSFET外置可以進(jìn)行測量，然后可以單獨(dú)計(jì)算得到更精確的結(jié)果。對于0.47H電感，在1A輸出電流時(shí)開通和關(guān)閉損耗大概各為32.96mW。 本文結(jié)論 在為PWM電壓模式