为DC/DC转换器选择正确的电感器与电容器(图)
2006/7/26 10:56:11 电源在线网
随着便携式电子产品的体积在不断缩小，其复杂性同时也在相应的提高。这使得设计工程师面临的问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。本文以德州仪器TPS6220x系列降压稳压器为例，向设计工程师介绍在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时，如何为DC/DC转换器选择正确的电感器与电容器。
随着手机、PDA以及其它便携式电子产品在不断小型化，其复杂性同时也在相应提高，这使设计工程师面临的问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。
使用DC/DC转换器主要是为了提高效率。很多设计都要求将电池电压转换成较低的供电电压，尽管采用线性稳压器即可实现这一转换，但它并不能达到基于开关稳压器设计的高效率。本文将介绍设计工程师在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时必须要面对的常见问题。
大信号与小信号响应
开关转换器采用非常复杂的稳压方法保持重/轻负载时的高效率。现在的CPU内核电源要求稳压器提供快速而通畅的大信号响应。例如，当处理器从空闲模式切换至全速工作模式时，内核吸收的电流会从几十微安很快地上升到数百毫安。
随着负载条件变化，环路会迅速响应新的要求，以便将电压控制在稳压限制范围之内。负载变化幅度和速率决定环路响应是大信号响应还是小信号响应。我们可根据稳态工作点定义小信号参数。因此，我们一般将低于稳态工作点10％的变化称为小信号变化。
实际上，误差放大器处于压摆范围(slew limit)内，由于负载瞬态发生速度超过误差放大器的响应速度，放大器并不控制环路，所以，在电感器电流达到要求之前，由输出电容器满足瞬态电流要求。
大信号响应会暂时使环路停止工作。不过，在进入和退出大信号响应之前，环路必须提供良好的响应。环路带宽越高，负载瞬态响应速度就越快。
从小信号角度来看，尽管稳压环路可以提供足够的增益和相位裕度，但是开关转换器在线路或负载瞬态期间仍然可能出现不稳定状态和振铃现象。在选择外部元件时，电源设计工程师应意识到这些局限性，否则其设计就有可能遇到麻烦。
电感器选型
以图1所示的基本降压稳压器为例，说明电感器的选型。
对大多数TPS6220x应用而言，电感器的电感值范围为4.7uH～10uH。电感值的选择取决于期望的纹波电流。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20％。如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。
以增加输出电压纹波为代价，使用低值电感器便可提高输出电流变化速度，从而改善转换器的负载瞬态响应。高值电感器则可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。
可将线圈总损耗结合到损耗电阻(Rs)中，该电阻与理想电感(Ls)串联，组成了一个如图1所示的简化等效电路。
尽管Rs损耗与频率有关，但在产品说明书中仍对直流电阻(RDC)进行了定义。该电阻取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间超过电流额定值。
图1：TPS6220x基本降压稳压器。
线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗(磁滞损耗、涡流损耗)；趋肤效应造成的导体中的其他耗损(高频电流位移)；相邻绕组的磁场损耗(邻近效应)；辐射损耗
可将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs。因此，我们一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。这种测量可以确定XL(f)、Rs(f)和Z(f)个别分量。
我们将电感线圈电抗(XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q，参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。
品质—频率图可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低(Q值最高)的工作范围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增(Q降低)。
良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用铁氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。
输出电容器
消除输出电容器可以在成本和占板空间两方面实现节省。输出电容器的基本选择取决于纹波电流、纹波电压以及环路稳定性等各种因素。
输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。
因此，设计时应当选用ESR尽可能低的电容器。例如，采用X5R/X7R技术的4.7uF到10uF电容器表现为10m(范围的ESR值。轻负载(或者不考虑纹波的应用)也可以使用容值更小的电容器。
图2：品质-频率图 ：(a) Q和频率的关系；(b) RS和频率的关系。
TI的控制环路架构使您能够采用自己首选的输出电容器，同时还可以补偿控制环路，以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。
TPS6220x系列降压转换器具有内部环路补偿功能。因此，必须选择支持内部补偿功能的外部LC滤波器。对于此类器件而言，内部补偿最适合16kHz的LC转角频率(corner frequency)，即10uH电感器与10uF输出电容器。根据一般经验法则，在选用不同输出滤波器时，L*C乘积不应当大范围变动。在选择更小的电感器或电容器值时，会造成转角频率增加至更高频率，因此这一点尤为重要。
在从负载瞬态出现到打开P-MOSFET期间，输出电容器必须提供负载所需的全部电流。输出电容器提供的电流会造成经过ESR的电压降低(从输出电压中扣除)。ESR越低，输出电容器提供负载电流时的电压损耗就越低。为了降低解决方案尺寸并且提升TPS62200转换器的负载瞬态性能，建议采用4.7uH电感器和22uF输出电容器。
参考文献：
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
系统工程师
德州仪器(德国)公司
随着手机、PDA以及其它便携式电子产品在不断小型化，其复杂性同时也在相应提高，这使设计工程师面临的问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。
使用DC/DC转换器主要是为了提高效率。很多设计都要求将电池电压转换成较低的供电电压，尽管采用线性稳压器即可实现这一转换，但它并不能达到基于开关稳压器设计的高效率。本文将介绍设计工程师在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时必须要面对的常见问题。
大信号与小信号响应
开关转换器采用非常复杂的稳压方法保持重/轻负载时的高效率。现在的CPU内核电源要求稳压器提供快速而通畅的大信号响应。例如，当处理器从空闲模式切换至全速工作模式时，内核吸收的电流会从几十微安很快地上升到数百毫安。
随着负载条件变化，环路会迅速响应新的要求，以便将电压控制在稳压限制范围之内。负载变化幅度和速率决定环路响应是大信号响应还是小信号响应。我们可根据稳态工作点定义小信号参数。因此，我们一般将低于稳态工作点10％的变化称为小信号变化。
实际上，误差放大器处于压摆范围(slew limit)内，由于负载瞬态发生速度超过误差放大器的响应速度，放大器并不控制环路，所以，在电感器电流达到要求之前，由输出电容器满足瞬态电流要求。
大信号响应会暂时使环路停止工作。不过，在进入和退出大信号响应之前，环路必须提供良好的响应。环路带宽越高，负载瞬态响应速度就越快。
从小信号角度来看，尽管稳压环路可以提供足够的增益和相位裕度，但是开关转换器在线路或负载瞬态期间仍然可能出现不稳定状态和振铃现象。在选择外部元件时，电源设计工程师应意识到这些局限性，否则其设计就有可能遇到麻烦。
电感器选型
以图1所示的基本降压稳压器为例，说明电感器的选型。
对大多数TPS6220x应用而言，电感器的电感值范围为4.7uH～10uH。电感值的选择取决于期望的纹波电流。一般建议纹波电流应低于平均电感电流的20％。如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱和(意味着电感损失)情况下处理峰值开关电流。
以增加输出电压纹波为代价，使用低值电感器便可提高输出电流变化速度，从而改善转换器的负载瞬态响应。高值电感器则可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。
可将线圈总损耗结合到损耗电阻(Rs)中，该电阻与理想电感(Ls)串联，组成了一个如图1所示的简化等效电路。
尽管Rs损耗与频率有关，但在产品说明书中仍对直流电阻(RDC)进行了定义。该电阻取决于所采用的材料或贴片电感器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间超过电流额定值。
线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗(磁滞损耗、涡流损耗)；趋肤效应造成的导体中的其他耗损(高频电流位移)；相邻绕组的磁场损耗(邻近效应)；辐射损耗
可将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻(Rs)。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用数学方法确定Rs。因此，我们一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。这种测量可以确定XL(f)、Rs(f)和Z(f)个别分量。
我们将电感线圈电抗(XL)与总电阻(Rs)之比称为品质因素Q，参见公式(2)。品质因素被定义为电感器的品质参数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。
品质—频率图可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低(Q值最高)的工作范围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增(Q降低)。
良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用铁氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI要求。
输出电容器
消除输出电容器可以在成本和占板空间两方面实现节省。输出电容器的基本选择取决于纹波电流、纹波电压以及环路稳定性等各种因素。
输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹波电流((IL)和输出电容器的ESR可以简单地估测输出纹波电压。
因此，设计时应当选用ESR尽可能低的电容器。例如，采用X5R/X7R技术的4.7uF到10uF电容器表现为10m(范围的ESR值。轻负载(或者不考虑纹波的应用)也可以使用容值更小的电容器。
图2：品质-频率图 ：(a) Q和频率的关系；(b) RS和频率的关系。
TI的控制环路架构使您能够采用自己首选的输出电容器，同时还可以补偿控制环路，以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。
TPS6220x系列降压转换器具有内部环路补偿功能。因此，必须选择支持内部补偿功能的外部LC滤波器。对于此类器件而言，内部补偿最适合16kHz的LC转角频率(corner frequency)，即10uH电感器与10uF输出电容器。根据一般经验法则，在选用不同输出滤波器时，L*C乘积不应当大范围变动。在选择更小的电感器或电容器值时，会造成转角频率增加至更高频率，因此这一点尤为重要。
在从负载瞬态出现到打开P-MOSFET期间，输出电容器必须提供负载所需的全部电流。输出电容器提供的电流会造成经过ESR的电压降低(从输出电压中扣除)。ESR越低，输出电容器提供负载电流时的电压损耗就越低。为了降低解决方案尺寸并且提升TPS62200转换器的负载瞬态性能，建议采用4.7uH电感器和22uF输出电容器。
参考文献：
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
系统工程师
德州仪器(德国)公司
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