為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇正確的電感器與電容器(圖)
2006/7/26 10:56:11 電源在線網(wǎng)
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(jì)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(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，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)雜性同時也在相應(yīng)提高，這使設(shè)計(jì)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(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)到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的高效率。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(fù)載時的高效率。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，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(fù)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(fù)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(diǎn)定義小信號參數(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。
大信號響應(yīng)會暫時使環(huán)路停止工作。不過，在進(jìn)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(fù)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(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，電源設(shè)計(jì)工程師應(yīng)意識到這些局限性，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4.7uH～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(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)品說明書中仍對直流電阻(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(dāng)避免長時間超過電流額定值。
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(xué)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(jìn)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(diǎn)。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(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格與尺寸要求以及相應(yīng)的輻射場/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可以簡單地估測輸出紋波電壓。
因此，設(shè)計(jì)時應(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。
圖2：品質(zhì)-頻率圖 ：(a) Q和頻率的關(guān)系；(b) RS和頻率的關(guān)系。
TI的控制環(huán)路架構(gòu)使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時還可以補(bǔ)償控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。
TPS6220x系列降壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償功能。因此，必須選擇支持內(nèi)部補(bǔ)償功能的外部LC濾波器。對于此類器件而言，內(nèi)部補(bǔ)償最適合16kHz的LC轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)，即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)法則，在選用不同輸出濾波器時，L*C乘積不應(yīng)當(dāng)大范圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時，會造成轉(zhuǎn)角頻率增加至更高頻率，因此這一點(diǎn)尤為重要。
在從負(fù)載瞬態(tài)出現(xiàn)到打開P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負(fù)載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會造成經(jīng)過ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低，輸出電容器提供負(fù)載電流時的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸并且提升TPS62200轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。
參考文獻(xiàn)：
TI TPS62200 datasheet, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps62200.pdf
Trilogy of Inductors 2nd extended edition ISBN 3-934350-73-9, Wurth Elektronik
作者：Christophe Vaucourt
系統(tǒng)工程師
德州儀器(德國)公司
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)雜性同時也在相應(yīng)提高，這使設(shè)計(jì)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(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)到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的高效率。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(fù)載時的高效率。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，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(fù)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(fù)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(diǎn)定義小信號參數(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。
大信號響應(yīng)會暫時使環(huán)路停止工作。不過，在進(jìn)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(fù)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(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，電源設(shè)計(jì)工程師應(yīng)意識到這些局限性，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4.7uH～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(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)品說明書中仍對直流電阻(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(dāng)避免長時間超過電流額定值。
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(xué)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(jìn)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(diǎn)。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(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格與尺寸要求以及相應(yīng)的輻射場/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可以簡單地估測輸出紋波電壓。
因此，設(shè)計(jì)時應(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。
圖2：品質(zhì)-頻率圖 ：(a) Q和頻率的關(guān)系；(b) RS和頻率的關(guān)系。
TI的控制環(huán)路架構(gòu)使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時還可以補(bǔ)償控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。
TPS6220x系列降壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償功能。因此，必須選擇支持內(nèi)部補(bǔ)償功能的外部LC濾波器。對于此類器件而言，內(nèi)部補(bǔ)償最適合16kHz的LC轉(zhuǎn)角頻率(corner frequency)，即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據(jù)一般經(jīng)驗(yàn)法則，在選用不同輸出濾波器時，L*C乘積不應(yīng)當(dāng)大范圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時，會造成轉(zhuǎn)角頻率增加至更高頻率，因此這一點(diǎn)尤為重要。
在從負(fù)載瞬態(tài)出現(xiàn)到打開P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負(fù)載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會造成經(jīng)過ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低，輸出電容器提供負(fù)載電流時的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸并且提升TPS62200轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。
參考文獻(xiàn)：
TI TPS62200 datasheet, http://focus.ti.com/lit/ds/symlink/tps62200.pdf
Trilogy of Inductors 2nd extended edition ISBN 3-934350-73-9, Wurth Elektronik
作者：Christophe Vaucourt
系統(tǒng)工程師
德州儀器(德國)公司
聲明：本信息內(nèi)容的真實(shí)性未經(jīng)電源在線網(wǎng)證實(shí)，僅供參考。
