如何為DC-DC選擇適合的電感和電容

　　使用DC/DC轉(zhuǎn)換器主要是為了提高效率。很多設(shè)計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)計的高效率。本文將介紹設(shè)計工程師在權(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?，F(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)工作點定義小信號參數(shù)。因此，我們一般將低于穩(wěn)態(tài)工作點10％的變化稱為小信號變化。

　　實際上，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)計工程師應(yīng)意識到這些局限性，否則其設(shè)計就有可能遇到麻煩。

　　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。

　　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。

　　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。

　　良好設(shè)計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。

　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。

DC-DC轉(zhuǎn)換器電路設(shè)計中電感器選擇的折衷考慮

　　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0.47mH電感，可以同時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（如果需要）來配合評估板的電路。

　　尺寸考慮

　　表1中兩個系列的電感提供不同的磁芯尺寸。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1μH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。

　　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1μH電感具有最好的效率，在低于3A時0.2μH的效率最低。在電感量相同時，尺寸較大（FDV0630）直流電阻較低的電感在整個輸出電流范圍內(nèi)可提供0.5%至1%的效率提升。

　　對于FDV0620系列的0.47mH和1mH電感，