為正確的工作選擇合適的穩(wěn)壓器：組件選擇

本應(yīng)用筆記是關(guān)于功率穩(wěn)壓器的三部分系列文章的第3部分。在本部分中，我們將介紹一些穩(wěn)壓器示例，從元件選擇到實際設(shè)計，并提供基本方程式，以幫助設(shè)計人員為應(yīng)用選擇最佳穩(wěn)壓器并優(yōu)化周圍元件。

在為工作選擇合適的穩(wěn)壓器：第1部分中，我們討論了脈寬調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換器的兩種穩(wěn)壓器控制方案，即電流模式（CM）和電壓模式（VM）。我們還研究了這些控制模式之間的關(guān)鍵差異。在該應(yīng)用說明中，我們解釋了產(chǎn)品應(yīng)用對于選擇合適的穩(wěn)壓器非常重要。

在為工作選擇合適的穩(wěn)壓器：第2部分中，我們研究了其他常用的穩(wěn)壓器控制拓撲，并描述了每種拓撲的應(yīng)用優(yōu)勢。除了 VM 和 CM PWM 控制外，現(xiàn)代穩(wěn)壓器還集成了其他主要控制方案：脈沖頻率調(diào)制 （PFM）、遲滯和恒定導(dǎo)通時間拓撲 （COT）。在查看了每種方法之后，我們添加了有關(guān)輔助控制方法的簡短討論，例如跳過模式。

設(shè)計 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的基本公式

在深入探討器件選擇和仿真設(shè)計示例之前，了解用于選擇開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電感器和電容的一些基本公式非常重要。

電感器選擇

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感選擇公式由電感的基本公式推導(dǎo)出來：

DI/DT = ΔV/L

因此：

L = ΔV DT/DI

其中：

di是電感紋波電流的峰峰值，定義為LIR×IOUT。LIR 的典型值為 0.3。
dt = VOUT/VIN × 1/fSW，其中 fSW 是轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率，
ΔV 是電感兩端的電壓，定義為 VIN（MAX） - VOUT。

綜上所述，我們得出：

L = VOUT × (VIN(MAX) –VOUT)/VIN(MAX) × fSW × IOUT(MAX) × LIR

舉個實際例子怎么樣？假設(shè)設(shè)計人員需要設(shè)計具有以下要求的 DC-DC 穩(wěn)壓器：

IOUT = 2.7A, VIN(MAX) = 12V, and VOUT = 5V.

對于此示例，我們選擇 30% 的 LIR 值。入手：

Lmin = 5V × (12V - 5V)/12V × 600kHz × 2.7A × 0.3 = 6μH

對于此設(shè)計，最常見的標準值為5.6μH或6.8μH。當(dāng)電感值為6.8μH時，標稱峰峰值電流為0.72A。因此，電感中的峰值電流將為2.7A + 0.5×0.72A = 3.06A。選擇電感時，飽和額定值非常重要。我坐（A）額定值必須大于降壓轉(zhuǎn)換器的最大電流限值。MAX17504為3.5A穩(wěn)壓器，可考慮用于本設(shè)計。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊，最大電流限值為5.85A，因此電感I坐（一）額定值必須大于5.85A。

電感選擇的另一個重要參數(shù)是直流串聯(lián)電阻（DCR）。設(shè)計人員始終面臨著電感尺寸與效率的權(quán)衡，因為DCR是功率損耗的來源。另一個要考慮的功率損耗是磁芯損耗。兩個電感電流額定值是連續(xù)的（I有效值）和峰值（I坐IRMS通常指定為產(chǎn)生40°C電感溫升的直流電流。 我坐（A）是產(chǎn)生特定電感滾降的峰值電流，指定為與開路值相比減少的百分比;它可以從 5% 到 50% 不等。參考部分的一篇好文章，標題為“輕松估算電源設(shè)計中的電感損耗”。1為了解電感中的功率損耗提供了很好的參考。有許多免費的在線電感器設(shè)計工具非常有用。一個漂亮的電感選擇在線工具來自 Vishay，可在他們的網(wǎng)站上找到。2該工具將計算電感中的所有功率損耗。圖 1 是該工具的結(jié)果，基于上述示例。線藝3,4還有一些有用的在線工具，可幫助用戶選擇電感值并計算功率損耗。

圖1.Vishay 電感器計算顯示結(jié)果。

電容器選擇

我們首先簡要討論三種類型的陶瓷電容器，I類，II類和III類，其中I類還包括常見的CGO（NPO）類型。最常見的類型是 X5R、X7R 和 Y5V。在為開關(guān)穩(wěn)壓器指定陶瓷電容器時，了解這些類型之間的區(qū)別非常重要。電容隨溫度的變化是一個非常重要的特性，應(yīng)該加以考慮。表1是根據(jù)陶瓷電容器供應(yīng)商網(wǎng)站的數(shù)據(jù)匯總的。該表清楚地顯示了電容隨溫度的變化。

更復(fù)雜的是，實際電容值會隨著施加的直流偏置而變化。圖 2 是教程 5527 中的繪圖5關(guān)于選擇陶瓷電容器。它說明了我們的觀點。我強烈建議讀者花時間查閱這個包含良好應(yīng)用數(shù)據(jù)和良好常識設(shè)計示例的實用教程！

圖2.溫度變化與部分 4.7μF 電容器的直流電壓的關(guān)系。

選擇輸入和輸出電容器的實用指南

輸入電容選擇

為什么需要輸入電容器？輸入濾波電容可降低從電源汲取的峰值電流;它降低了由電路開關(guān)引起的輸入端噪聲和電壓紋波。輸入電容的均方根電流要求 （IRMS） 由以下等式定義。

IRMS= IOUT(MAX) × SQRT [VOUT × (VIN - VOUT)/VIN]

其中，IOUT(MAX)是最大負載電流。我有效值當(dāng)輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時具有最大值。在不進行長推導(dǎo)的情況下，我們可以使用電容器的基本方程C = I dv/dt，并導(dǎo)出：

CIN= IOUT(MAX) × D × (1 - D)/n × FSW × ΔVIN

其中：

D 是占空比 = V外/在在

n 是估計的轉(zhuǎn)換器效率

FSW是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率

ΔVIN 表示允許的輸入電壓紋波。

應(yīng)該注意的是，輸入電壓紋波在50%占空比下達到單相轉(zhuǎn)換器的最大值。

輸出電容器選擇

開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電容是整體輸出性能的關(guān)鍵部分。電感和輸出電容構(gòu)成一個低通濾波器。此外，輸出電容的值會極大地影響轉(zhuǎn)換器的輸出瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路帶寬。

確定輸出電容值的第一步是確定負載的性質(zhì)。這也與電感的選擇有關(guān)?；旧?，電感電流的變化定義為di/dt = ΔV/L。因此，例如，當(dāng)使用12μH電感的5V輸入和1V輸出時，100%占空比下的最大電流變化率為7A/μs，如圖3所示。這是什么意思？基本上，如果負載階躍壓擺率大于7A/μs，則需要更多的輸出電容來為瞬態(tài)負載階躍提供必要的響應(yīng)。所需的另一個關(guān)鍵信息是允許的最大輸出電壓變化。使用上面相同的示例，我們可以更進一步。

圖3.電感壓擺率示意圖

根據(jù)以下要求計算最大允許輸出阻抗：

VIN = 12V, VOUT = 5V

輸出電流步長 0.5A 至 2.5A （ΔI = 2A）

最大輸出電壓偏差 = 50mV

20A/μs 壓擺率

所需電容阻抗 = 50mV/2A = 25mΩ。這意味著輸出電容的ESR必須為25mΩ或更小。

使用MAX17504數(shù)據(jù)資料中的COUT公式，可以看到：

COUT = 0.5 ×I step × tresponse/ΔVOUT

其中，響應(yīng)≈ （0.33/FC + 1/fSW);FC是目標閉環(huán)交越頻率。

需要注意的是，大多數(shù)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊都提供了幫助設(shè)計人員計算和選擇輸入和輸出電容所需的所有公式。

零件選擇和仿真設(shè)計

假設(shè)X公司正在設(shè)計一個具有非常寬工作頻率范圍的高性能RF前端。輸入電壓在 20V 至 35V 范圍內(nèi)變化，電路需要 3.3V/2A，5V/2.5A。RF信號鏈具有非常靈敏的低噪聲電路，設(shè)計人員希望通過向兩個穩(wěn)壓器施加一個外部時鐘來控制電源開關(guān)諧波的位置。這樣，開關(guān)頻率是相同的，并且彼此同相。拍頻可由不同步到同一時鐘的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。拍頻和轉(zhuǎn)換器開關(guān)諧波可能落在設(shè)備的工作范圍內(nèi)，很難消除。

第 1 步：搜索穩(wěn)壓器

使用供應(yīng)商網(wǎng)站上的參數(shù)搜索工具縮小調(diào)壓閥選擇范圍（圖 4）。

圖4.使用供應(yīng)商的參數(shù)搜索表開始調(diào)節(jié)器搜索。這是Maxim Integrated網(wǎng)站上的搜索示例。

使用以下參數(shù)：

VINMAX to > 38V

IOUT > 2.5A

同步切換 = 是

現(xiàn)在將類型框切換到內(nèi)部，然后選中外部同步框。找到兩個合適的零件。本設(shè)計選用MAX17503。注意，MAX17504也可以以犧牲具有更高電流飽和額定值的電感為代價。查看兩份數(shù)據(jù)資料，MAX17504的峰值開關(guān)電流限值典型值為5.1A，而MAX3的峰值開關(guān)電流限值典型值為5.17503A。通常，電感的飽和額定值必須高于開關(guān)電流限值。因此，對于本例，MAX17503可以允許使用更小尺寸的電感。在參數(shù)搜索工具上通常找不到內(nèi)部開關(guān)電流限值，因此必須檢查數(shù)據(jù)手冊以確定該值。

步驟 2：模擬設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用要求仔細考慮后，選擇合適的轉(zhuǎn)換器。下一步是選擇周圍的元件，如功率電感器、輸入和輸出電容以及用于設(shè)置補償網(wǎng)絡(luò)的輸出電壓和元件值的反饋電阻。方便的 EE-Sim 設(shè)計工具（圖 5）?6是一款免費的電源設(shè)計輔助工具，可為新手和經(jīng)驗豐富的電源工程師提供設(shè)計和優(yōu)化穩(wěn)壓器瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性的便捷方法。

圖5.輸入設(shè)計要求參數(shù)。

單擊 EE-Sim 仿真工具并輸入應(yīng)用程序參數(shù)。然后單擊“創(chuàng)建設(shè)計”框，該框?qū)⑻峁┤缦滤镜碾娐穲D（圖6），其中自動選擇電感、電容和電阻值。需要注意的是，在選擇輸入/輸出電容值時，請仔細查看 V偏見-與電容的關(guān)系曲線，因為實際電容可能會根據(jù)施加的電壓而降低。電容值可以在EE-Sim中手動更改，以反映實際電容。本教程 5527 中廣泛介紹了本主題。5

圖6.解決方案原理圖。

通過單擊“分析”框，EE-Sim 提供了執(zhí)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或交流分析的選項。仿真的一個良好開端是單擊“AC 分析”按鈕，然后單擊“運行分析”框（圖 7）以檢查穩(wěn)定性。經(jīng)驗法則是在單位增益處至少有45度的相位裕量。

圖7.配置分析類型。

下面的波特圖（圖8）顯示，在交越頻率為66.59kHz時，單位增益下的相位裕量為52.2度。

圖8.用于測量環(huán)路穩(wěn)定性的波特圖。

接下來，我們可以查看時域，看看輸出如何響應(yīng)負載電流的變化。單擊瞬態(tài)分析按鈕。然后，您可以選擇電壓和電流波形，并使用侯爵變焦來測量輸出電壓偏差（圖 9）。在本例中，對于1.25A負載階躍，輸出降至4.85V，當(dāng)釋放負載階躍時，電壓跳升至5.135V峰值。

圖9.瞬態(tài)響應(yīng)仿真。

最后，應(yīng)該注意的是，還有許多其他波形可供從仿真中查看。只需在右側(cè)的輸出框中選擇各種信號即可。

總結(jié)

希望本應(yīng)用筆記能為參與選擇DC-DC穩(wěn)壓器的工程師提供一個有用的入門演示。

在這個由三部分組成的應(yīng)用筆記系列的第1部分中，我們首先對電壓模式（VM）和電流模式（CM）轉(zhuǎn)換器有良好的基礎(chǔ)和基本了解。了解差異很重要，這將有助于工程師在許多供應(yīng)商提供如此多的選擇時做出正確的選擇。在這兩種類型的轉(zhuǎn)換器之間，性能和成本的權(quán)衡得到了很好的解釋。在第2部分中，在寬輸出負載范圍內(nèi)提高效率的拓撲結(jié)構(gòu)以及解釋各種形式的脈沖頻率調(diào)制（PFM）對工程師提供了進一步的幫助。在便攜式設(shè)備中，這些拓撲被廣泛使用，因此充分了解其操作并權(quán)衡是關(guān)鍵。

審核編輯：郭婷