效率通常是使用直流电源转换器的主要原因。许多设计利用线性稳压器把电池电压转换为较低的电源电压，但效率却比不上采用交换式稳压器的设计。本文将说明设计人员在衡量解决方案的体积、效能和成本时，所面对的一些常见问题。
大讯号与小讯号响应
交换式转换器采用复杂的稳压机制，因此无论负载大小都能维持高转换效率。现代处理器的核心电源需要稳压器提供良好快速的大讯号响应能力，例如处理器从闲置状态切换到全速操作模式时，核心电流需求将从数十微安培迅速增至数百毫安。
当负载状态改变时，控制回路会迅速响应，以便将电压维持在稳压范围内。至于回路响应是大讯号响应或小讯号响应，则要由负载改变的程度和速率决定。小讯号参数通常是根据稳态操作点所定义，本文将幅度少于稳态操作点 10%的变化称为小讯号变化。
在实际应用里，误差放大器的电压回转率有其上限，再加上负载瞬时通常都快于误差放大器响应速度，因此它不可能在瞬时发生时立即控制回路，必须先由输出电容提供所需的瞬时电流，直到电感电流跟上为止。
大讯号响应会让回路暂时失去作用，因此回路必须尽快跟上瞬时变动，并在完成大讯号响应后回到正常操作。一般而言，回路带宽越大，回路的瞬时负载响应速度就越快。
虽然稳压回路的增益和相位边限对小讯号或许已经足够，但交换式稳压器仍可能在输入电源或负载瞬时时变得不稳定或出现铃振现象 (ringing)。因此电源供应设计人员在选择外部零件时，就必须了解这些限制，否则他们的设计可能会出问题。
电感选择
本文将以图 1 所示的基本降压稳压器为例，说明如何选择电感。
图 1：电感选择
多数 TPS6220x 应用的电感值都在 4.7～10μH 之间，实际值则由涟波电流要求决定。一般而言，涟波电流最好不要超过平均电感电流的两成。另外，如公式 1 所示，输入或输出电压升高也会增加涟波电流。当然，电感必须能承受峰值开关电流而不会造成核心饱和，否则电感的功耗就会变大。
(1)小电感虽能提高输出电流回转率，从而改善转换器的负载瞬时响应，但也会造成输出电压涟波变大。大电感则能降低涟波电流，减少电感核心的磁滞功耗。
电感线圈的总功耗可由功耗电阻 Rs 代表，再与理想电感 Ls 串联后，即为图 2 简化后的等效电路。
图 2：简化后的等效电路
虽然 Rs 的功耗与频率有关，电感的直流阻抗 RDC 却必然是规格表上列出的值。这个直流电阻值是在室温下透过简单的电阻测量而得，其值与线圈材料或 SMD 电感结构有关。
直流阻抗 RDC 的体积会对线圈温度的升高产生直接影响，而电感电流也应避免超过额定值太久。
电感线圈的总功耗包括直流阻抗 RDC 和下列频率相关零件的功耗：
•电感核心材料的功耗 (磁滞功耗和涡流功耗)这些功耗零件可合并成一个代表电感质量的串联功耗电阻 Rs。但 Rs 无法经由数学计算求出，所以厂商通常会利用阻抗分析仪测量电感在整个频率范围内的阻抗特性，包括电感的
•集肤效应 (电流在高频时集中到导线表面的现象) 造成的额外电感功耗
•附近其它线圈造成的磁场功耗 (近接效应)
•辐射功耗
XL(f)、Rs(f) 和 Z(f) 等个别分量。
如公式 2 所示，电感线圈电抗 (XL) 与总电阻 (Rs) 的比值是电感质量的特性参数，又称为质量因子 (Q)。电感的功耗越大，做为储能组件的效果就越差。
(2)图 3a/3b：RDC = 240mΩ 和 ISAT = 700mA 的 4.7μH 线绕电感
图 3a：质量因子与频率 (Hz) 关系图
图 3b：功耗电阻 (Ω ) 与频率 (Hz) 的关系图
图 3a 和 3b 的质量与频率关系图都能协助特定应用选择最合适的电感。从质量曲线的测量结果可发现：频率低于转折点 (Q 值最大) 的部份都属于功耗较小的操作区，但电感若用于转折点以上的更高频率，其功耗就会快速增加 (Q 值下降)。
适当设计的电感可大幅减少效率损失。随着核心材料及形状不同，电感的体积/电流和价格/电流关系都会改变。采用铁氧材料的隔离电感就能缩小体积和减少电磁辐射。一般而言，电感的选择除了要考虑价格和体积要求外，还要注意磁场辐射及电磁干扰。
图 4：TPS62204 (1.6V) 搭配 RDC = 240mΩ 和 ISAT = 700mA 的 4.7μH 线绕电感时，所得到的效率、负载电流和输入电压关系图
输出电容
拿掉输出电容可以节省成本和电路板空间。输出电容的基本选择考虑包括涟波电流、涟波电压和回路稳定性。
输出电容和电感的等效串联阻抗 (ESR) 会直接影响输出涟波电压。输出涟波电压则能从电感涟波电流 (Δ IL) 和输出电容的等效串联阻抗轻易估算出来。
为了减少涟波电压，应选择等效串联阻抗最小的电容，例如采用 X5R/X7R 技术的 4.7-
10μF 电容就能将等效串联阻抗减到 10mΩ 左右。如果负载较小或应用对于涟波并不在意，那么也可采用较小的电容。
德州仪器的控制回路架构能让设计人员选择所用的输出电容和补偿控制回路，以便得到最好的瞬时响应及回路稳定性。组件内部补偿功能通常都有一组最合适的操作条件，且很容易受到输出电容特性的影响。
TPS6220x 系列降压转换器都内建回路补偿功能，因此选择外部 LC 滤波器时，必须确保它能与内部补偿电路搭配作业。这款组件的内部补偿电路已经针对 16kHz 的 LC 转角频率优化，这相当于 10μH 电感和 10μF 输出电容。根据经验法则，在选择不同的输出滤波
器时，最好不要让 LC 乘积的移动范围太大，尤其较小的电感或电容可能会将转角频率移到更高的频率，因此在选择这类零件时要特别注意。
在从负载瞬时出现到 P-MOSFET 导通为止的这段时间里，输出电容必须提供负载所需的全部电流。输出电容提供的电流会在等效串联阻抗的两端产生电压降，这个电压降必须从输出电压扣除。等效串联阻抗越小，输出电容提供电流给负载时的电压损失就越少。为了将 TPS62200 转换器的解决方案体积减到最小，并且改善其负载瞬时响应能力，最好搭配
4.7μH 电感和 22μF 输出电容。
图 5a/5b：TPS62204 在 3.6V 输入电压及 1.6V 固定输出电压下，搭配不同滤波器所得到的负载瞬时效能
图 5a：L = 10μH / COUT = 10μF
图 5b：L = 4.7μH / COUT = 22μF
作者：Christophe Vaucourt
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