如何為DC-DC選擇適合的電感和電容

　　隨著手機、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復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、占板空間、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，盡管采用線性穩(wěn)壓器即可實現(xiàn)這一轉換，但它并不能達到基于開關穩(wěn)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

　　開關轉換器采用非常復雜的穩(wěn)壓方法保持重/輕負載時的高效率?，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。例如，當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。

　　隨著負載條件變化，環(huán)路會迅速響應新的要求，以便將電壓控制在穩(wěn)壓限制范圍之內(nèi)。負載變化幅度和速率決定環(huán)路響應是大信號響應還是小信號響應。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)，由于負載瞬態(tài)發(fā)生速度超過誤差放大器的響應速度，放大器并不控制環(huán)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(tài)電流要求。

　　大信號響應會暫時使環(huán)路停止工作。不過，在進入和退出大信號響應之前，環(huán)路必須提供良好的響應。環(huán)路帶寬越高，負載瞬態(tài)響應速度就越快。

　　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，但是開關轉換器在線路或負載瞬態(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，電源設計工程師應意識到這些局限性，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(wěn)壓器為例，說明電感器的選型。

　　對大多數(shù)TPS6220x應用而言，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。
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　　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，從而改善轉換器的負載瞬態(tài)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(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，但在產(chǎn)品說明書中仍對直流電阻（RDC）進行了定義。該電阻取決于所采用的材料或貼片電感器的構造類型，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，應當避免長時間超過電流額定值。
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圖一

　　線圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關聯(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(lián)耗損電阻（Rs）。耗損電阻主要用于定義電感器的品質。然而，我們無法用數(shù)學方法確定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(shù)。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質就越低。
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　　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）的工作范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改變電感器的大小/電流和價格/電流關系。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，設計時應當選用ESR盡可能低的電容器。例如，采用X5R/X7R技術的4.7uF到10uF電容器表現(xiàn)為10m（范圍的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。
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圖2：品質-頻率圖 ：（a） Q和頻率的關系；（b） RS和頻率的關系

　　TI的控制環(huán)路架構使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時還可以補償控制環(huán)路，以實現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應和環(huán)路穩(wěn)定性。當然，內(nèi)部補償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應輸出電容器參數(shù)變化。

　　TPS6220x系列降壓轉換器具有內(nèi)部環(huán)路補償功能。因此，必須選擇支持內(nèi)部補償功能的外部LC濾波器。對于此類器件而言，內(nèi)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(jù)一般經(jīng)驗法則，在選用不同輸出濾波器時，L*C乘積不應當大范圍變動。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(tài)出現(xiàn)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(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轉換器的負載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。