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功率技術/新能源  

為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器

上網時間: 2006年03月24日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:TPS6220x  大訊號響應  小訊號響應  相位裕度  磁滯損耗 

隨著可攜式電子產品的體積不斷縮小,其複雜性同時也在相應的提高。這使得設計工程師面臨的問題越來越多,如電池使用壽命、佔板空間、散熱或功耗等。本文以德州儀器TPS6220x系列降壓穩壓器為例,向設計工程師介紹在權衡解決方案的佔用空間、性能以及成本時,如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器。

隨著手機、PDA以及其它可攜式電子產品在不斷小型化,其複雜性同時也在相應提高,這使設計工程師面臨的問題越來越多,如電池使用壽命、佔板空間、散熱或功耗等。

使用DC/DC轉換器主要是為了提高效率。很多設計都要求將電池電壓轉換成較低的供電電壓,儘管採用線性穩壓器即可實現這一轉換,但它並不能達到基於交換式穩壓器設計的高效率。本文將介紹設計工程師在權衡解決方案的佔用空間、性能以及成本時必須要面對的常見問題。

大訊號與小訊號響應

開關轉換器採用非常複雜的穩壓方法保持重/輕負載時的高效率。現在的CPU核心電源要求穩壓器提供快速而通暢的大訊號響應。例如,當處理器從空閑模式切換至全速工作模式時,核心吸收的電流會從幾十微安很快地上升到數百毫安。

隨著負載條件變化,迴路會迅速響應新的要求,以便將電壓控制在穩壓限制範圍之內。負載變化幅度和速率決定迴路響應是大訊號響應還是小訊號響應。我們可根據穩態工作點定義小訊號參數。因此,我們一般將低於穩態工作點10%的變化稱為小訊號變化。

實際上,誤差放大器處於斜率範圍(slew limit)內,由於負載瞬態發生速度超過誤差放大器的響應速度,放大器並不控制迴路,所以,在電感器電流達到要求之前,由輸出電容器滿足瞬態電流要求。

大訊號響應會暫時使迴路停止工作。不過,在進入和退出大訊號響應之前,迴路必須提供良好的響應。迴路頻寬越高,負載瞬態響應速度就越快。

圖1:TPS6220x基本降壓穩壓器。

從小訊號角度來看,儘管穩壓迴路可以提供足夠的增益和相位裕度,但是開關轉換器在線路或負載瞬態期間仍然可能出現不穩定狀態和振鈴現象。在選擇外部元件時,電源設計工程師應意識到這些侷限性,否則其設計就有可能遇到麻煩。

電感器選型

以圖1所示的基本降壓穩壓器為例,說明電感器的選型。

對大多數TPS6220x應用而言,電感器的電感值範圍為4.7uH∼10uH。電感值的選擇取決於期望的紋波電流。一般建議紋波電流應低於平均電感電流的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,因而改善轉換器的負載瞬態響應。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗

可將線圈總損耗結合到損耗電阻(Rs)中,該電阻與理想電感(Ls)串聯,組成了一個如圖1所示的簡化等效電路。

儘管Rs損耗與頻率有關,但在產品說明書中仍對直流電阻(RDC)進行了定義。該電阻取決於所採用的材料或貼片電感器的構造類型,在室溫條件下透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,應該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聯的耗損分量:磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗);趨膚效應造成的導體中的其他耗損(高頻電流位移);相鄰繞組的磁場損耗(鄰近效應);輻射損耗。

可將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用於定義電感器的品質。然而,我們無法用數學方法確定Rs。因此,我們一般採用阻抗分析儀在整個頻率範圍內對電感器進行測量。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)之比稱為品質因素Q,參見公式(2)。品質因素被定義為電感器的品質參數。損耗越高,電感器作為儲能元件的品質就越低。

品質─頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結構。如測量結果圖2所示,可以將損耗最低(Q值最高)的工作範圍定義為一直延伸到品質拐點。如果在更高的頻率使用電感器,損耗會劇增(Q降低)。

良好設計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改變電感器的大小/電流和價格/電流關係。採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於價格與尺寸要求以及相應的輻射場/EMI要求。

輸出電容器

消除輸出電容器可以在成本和佔板空間兩方面實現節省。輸出電容器的基本選擇取決於紋波電流、紋波電壓以及迴路穩定性等各種因素。

輸出電容器的有效串聯電阻(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,設計時應當選用ESR盡可能低的電容器。例如,採用X5R/X7R技術的4.7uF~10uF電容器表現為10m(範圍的ESR值)。輕負載(或者不考慮紋波的應用)也可以使用容值更小的電容器。

TI的控制迴路架構使您能夠採用自己首選的輸出電容器,同時還可以補償控制迴路,以實現最佳的瞬態響應和迴路穩定性。當然,內部補償能夠理想地支援一系列工作條件,而且能夠敏感地響應輸出電容器參數變化。

圖2:品質-頻率圖:(a) Q和頻率的關係;(b) RS和頻率的關係。

TPS6220x系列降壓轉換器具有內部迴路補償功能。因此,必須選擇支援內部補償功能的外部LC濾波器。對於此類元件而言,內部補償最適合16kHz的LC轉角頻率(corner frequency),即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據一般經驗法則,在選用不同輸出濾波器時,L*C乘積不應當大範圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時,會造成轉角頻率增加至更高頻率,因此這一點尤為重要。

在從負載瞬態出現到打開P-MOSFET期間,輸出電容器必須提供負載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會造成經過ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低,輸出電容器提供負載電流時的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸並且提升TPS62200轉換器的負載瞬態性能,建議採用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。

參考文獻:

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

系統工程師

德州儀器(德國)公司




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