直流電源轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感與電容

為直流電源轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感與電容隨著手機、PDA和其它可攜式電子產(chǎn)品的體積日益精巧與功能復雜性的提升，設計人員必須面對電池壽命、電路板面積、熱量和耗電量等越來越多的問題。效率通常是使用直流電源轉(zhuǎn)換器的主要考量。許多設計要求都涉及將電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的供應電壓，線性穩(wěn)壓器雖然可提供這項功能，其效率卻比不上交換式穩(wěn)壓器設計。本文將探討設計人員在解決方案體積、效能和成本之間取捂時最常面對的問題。大信號與小信號響應的比較交換式轉(zhuǎn)換器利用相當復雜的穩(wěn)壓機制來維持高負載和低負載時的高效率?，F(xiàn)代處理器核心需要穩(wěn)壓器來提供快速良好的大信號響應能力，例如當處理器從閑置模式切換到全速操作模式時，核心汲取的電流會從數(shù)十微安培快速增加至數(shù)百毫安培。當負載條件改變時，逛路會迅速回應新需求以確保電壓留在穩(wěn)壓限制范圍內(nèi)。負載變動的幅度和速率決定了逛路響應是大信號響應或小信號響應。我們根據(jù)穩(wěn)態(tài)操作點來定義小信號參數(shù)，變動幅度小于穩(wěn)態(tài)操作點10%時通?？梢暈樾⌒盘栕儎?。誤差放大器的電壓逛轉(zhuǎn)率實際上有其限制，它會因為負載暫態(tài)變動速率高于誤差放大器響應速率而無法控制逛路，故需由輸出電容提供所需的暫態(tài)電流直到電感電流跟上為止。大信號響應會讓逛路暫時失去作用。盡管如此，逛路仍須對大信號響應做出適當回應；逛路頻寬越大，逛路的負載暫態(tài)響應速度就越快。穩(wěn)壓逛路就小信號觀點而言或許擁有足夠的增益和相位邊限，但交換式轉(zhuǎn)換器在電源或負載變動時仍可能出現(xiàn)不穩(wěn)定和鈴振現(xiàn)象。電源供應設計人員選擇外部零件時必須瞭解這些限制，否則在設計時就可能遇到瓶頸。電感的選擇此處以圖1所示的基本型降壓穩(wěn)壓器說明如何選擇電感。圖1：基本型降壓穩(wěn)壓器多數(shù)TPS6220X應用可選擇4.7口H到10pH的電感值，實際值則須根據(jù)漣波電流要求才能決定，設計人員通常需要漣波電流小于20%的平均電感電流。如公式1所示，較高的VIN或VOUT也會增加漣波電流。由于核心飽和會導致電感產(chǎn)生功耗，因此電感必須在不造成核心飽和的情形下承受峰值開關(guān)電流。,T 1 八Iiiur..A/i= — ) (i)小電感值能提高輸出電流逛轉(zhuǎn)率，這可改善轉(zhuǎn)換器的負載暫態(tài)響應能力；其缺點則是輸出電壓漣波會變大。大電感值則會降低漣波電流并減少電感的磁滯功耗。電感的總功耗可由與理想電感(Ls)串聯(lián)的功耗電阻(Rs)代表，圖1就是所得到的簡化電路。RI圖1雖然Rs的功耗與頻率有關(guān)，元件規(guī)格表卻會列出它的直流阻抗(RDC)。表面安裝型電感的直流阻抗與其構(gòu)造或線圈材料有關(guān)，實際大小通常則是在室溫下經(jīng)由簡單的電阻測量來決定。直流阻抗RDC的大小會直接影響線圈的溫度上升速率，故在實際應用中應盡量避免超過電流額定值的時間太長。電感總功耗包含直流阻抗RDC以及下列頻率相關(guān)元件的功耗：?核心材料的功耗(磁滯功耗和渦流功耗)?電感集膚效應(電流在高頻時集中到線圈表面)造成的額外功耗?相鄰線圈的磁場功耗(鄰近效應)?輻射功耗這些功耗零件可由一顆串聯(lián)功耗電阻(Rs)來代表，而這個功耗電阻主要用來定義電感的品質(zhì)。不幸的是，功耗電阻Rs實際上無法透過數(shù)學方式求得，而必須利用阻抗分析儀對整個頻率范圍進行測量，這種測量方式可以提供XL(f)、Rs(f)和Z(f)等阻抗分量。如方程式2所示，電感線圈的電抗(XL)與總電阻(Rs)比值又稱為品質(zhì)因素Q，它代表電感的品質(zhì)特性。功耗越大就表示電感做為儲能元件的效果越差。XicdlreactanceRsRst&talresistance (2)品質(zhì)因素(Q)與頻率品質(zhì)因素(Q)與頻率(Hz)的關(guān)系圖功耗電阻(Q)與頻率(Hz)的關(guān)系圖4.7pH繞線電感，RDC=240mQ/ISAT=700mA品質(zhì)因素與頻率的關(guān)系圖可為特定應用選擇最理想的電感。從測量結(jié)果可以看出頻率低于品質(zhì)曲線轉(zhuǎn)折點的部份就是損耗最小(Q值最大)的操作范圍。電感如果在頻率更高的位置操作，所產(chǎn)生的功耗就會快速增加(Q值減少)。電感只要設計良好，工作效率下降的幅度就會很小。不同的核心材料和構(gòu)造會改變電感體積與電流以及價格與電流的關(guān)系。探用鐵氧體(ferrite)材料的屏蔽電感不但體積小，其輻射能量也很少。電感種類的選擇需視價格、體積、輻射能量和電磁干擾等需求而定。TPS62204(1.6V)在各種負載電流和輸入電壓下的效率圖4.7pH繞線電感，RDC=240mQ/ISAT=700mA輸出電容不用輸出電容就可以節(jié)省成本和電路板面積。輸出電容的基本選擇考量包括漣波電流、漣波電壓和逛路穩(wěn)定性。輸出電容的等效串聯(lián)阻抗(ESR)和電感值會直接影響輸出漣波電壓。我們可以根據(jù)電感漣波電流(△IL)和輸出電容的等效串聯(lián)阻抗輕易估計輸出漣波電壓值。設計人員應選擇等效串聯(lián)阻抗最小的電容，例如探用X5R/X7R技術(shù)的4.7到10pF電容大約只有10mQ等效串聯(lián)阻抗。負載很小時(或不必考慮漣波的應用)還能使用更小電容。德州儀器(TI)的控制逛路架構(gòu)允許設計人員自行選擇輸出電容，然后透過控制逛路補償來提供最佳暫態(tài)響應和逛路穩(wěn)定性。當然，內(nèi)部補償方式只能在一組操作條件下發(fā)揮最佳效果，它們也很容易受到輸出電容的特性影響。TPS6220X系列降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)含逛路補償功能，因此外部LC濾波器必須經(jīng)過特別選擇以配合這些內(nèi)部補償功能。這顆元件的內(nèi)部補償功能最適合搭配16kHz的LC角頻率，這相當于10pH電感和10MF輸出電容。經(jīng)驗規(guī)則顯示在選擇不同的輸出濾波器時，LC乘積不應出現(xiàn)大幅改變，這對于選擇會造成角頻率升高的較小電感和電容特別重要。輸出電容須在負載暫態(tài)出現(xiàn)到P-MOSFET導通為止的期間內(nèi)供應負載所需全部電流。輸出電容供應的電流會在等效串聯(lián)阻抗兩端產(chǎn)生電壓降，這會導致輸出電壓降低；等效串聯(lián)阻抗越小，輸出電容供應負載電流時的電壓損失就越小。為了讓解決方案體積減至最小并改善TPS62200轉(zhuǎn)換器的負載暫態(tài)響應，此處建議使用4.7pH電感和22pF電容。(本文作者為德州儀器TI系統(tǒng)工程師)(本文原載于新電子雜志)痢fl111G#而PE1痢fl11