techff

  • 1177 主题
  • 1210 帖子
  • 2969 积分
  • 身份:LV5 资深技术员
  • 论坛新秀 灌水之王
  • E币:868

手把手教你 DC/DC 转换器设计电感电容选型

2021-5-21 10:39:35 显示全部楼层
DC/DC转换器的电感和电容器的选型概述

本章的主旨不在说明DC/DC转换器的整体设计,而是以“DC/DC转换器的电感和电容器的选型”为标题,特别对降压型DC/DC转换器的重要部件电感和电容器的选型方法进行说明,其选型对性能和特性将产生极大影响。首先,确认降压型DC/DC转换器的基本工作及其电流的流向。选择电感和输入输出电容器时,需要了解电路中的电流流向及其波形。

在电感的选型部分,将介绍其选型步骤和计算公式,并提供选型示例。此外,还将对电感值和电感电流的关系进行说明。
在输出电容器部分,将介绍计算方法和输出纹波。
在输入电容器部分,将同样介绍计算方法,并对选型时需要探讨的DC特性进行介绍。
关于整体设计方面,将提供详细的电源IC技术规格和应用说明书。在这里,将对比这些标准性资料稍深入的内容和技术诀窍进行说明。

降压转换器的基本工作

本章特别对降压型DC/DC转换器的重要零件加以说明其电感和电容器的选定方法如何对性能或特性产生极大影响。为了深入理解,有必要知道降压型DC/DC转换器的基本工作和工作电流的流动,因此最初先重温似地从基本工作和电流路径的说明开始。

以下是降压转换器的基本电路和工作,以及电流的流向。

18D_graf01.gif

  • Fig. 1表示开关元件Q1为ON的状态。
  • Q1为ON时,电流将从输入VIN通过线圈L充电输出平滑电容器CO,由输出电流IO供给。
  • 此时线圈L所流动的电流将产生磁场,电能被转换成磁能后蓄积。
  • Fig. 2表示开关元件Q1为OFF的状态。
  • Q1为OFF时,二极管D1为ON,L所蓄积能源将被释放至输出侧。

该基本电路图表示二极管整流(异步整流)型的降压电路。同步整流的情况下会将D1置换成开关元件(晶体管),虽然与Q1ON/OFF工作,不过基本上相同。

下图是上述Fig.1和Fig.2的总结,表示主要节点的电压或电流波形。

18D_graf02.gif

对于Q1的ON/OFF,想必大家都明白漏极电流ID、电感电流IL、以及输出电容器电流ICO、输入电容器电流ICIN如何流动。

如果这个可以清楚想象的话,便能够理解哪个零件做什么样的工作,并且明白该零件应具备哪种特性。

以后会将此进一步考虑到工作和电流的流向来说明电感的选择。



电感的选定

在设计降压型DC/DC转换器时,电感的选择很重要。性能或特性视其选择而有极大的影响。电感的选择步骤或电感值等的计算方法基本上标示于利用电源IC的技术规格。

电感的选定步骤

首先,介绍电感选定的步骤。

1)计算必要的电感值L
2)计算流向电感的最大电流(输出电流+1/2纹波电流)
3)根据已计算的L值(或近似)选择已计算电感饱和电流的最大电流以上的电感
     ※在短路或瞬态状态下计算出可能会流出的最大值以上的电流,
        因此有以最大开关电流为基础来选择的方法

基本上根据计算并考虑余量后做决定。余量的求取法基于公司的设计规则或经验法则。

1)电感值的计算
首先,根据以下公式计算电感值。

19D_graf01.gif

2)电感最大电流的计算
接着,根据以下公式计算电感的最大电流。
19D_graf02.png

从公式和电流波形可知,ILPEAK值为ΔIL的1/2加IOUT的值。

根据已计算的电感值和电感的最大电流选择近似的电感值且饱和电流在最大电流以上的电感。以下为选择例。

电感的选定例

   条件:VIN = 12V 、VOUT = 3.3V、IOUT = 2A、r = 0.3、f SW  = 380kHz

19D_graf03.gif

根据上述结果,饱和电流2.3A以上的10μH电感成为出发点。之所以称为出发点,是因为此计算非绝对性,在考虑短路或瞬态状态的情况等有可能必须变更。

使电感值变化的电感电流

在这里,为加深对电感工作的理解,进一步说明电感值变化时电感电流如何变化的情形。下图表示在相同工作条件下将电感值设为0.4μH、1μH、2.2μH时ILPEAK。

19D_graf04.gif

从公式也可得知,当电感值L变小时,ILPEAK会増加,可以获得许多直流叠加电流。不过,通过ILPEAK増加,有必要容许更多的直流叠加电流。而电感值变大时则相反,必须探讨相位补偿的相关事宜。


输出电容器的选定

继电感选择之后,接着进入电容器的选择相关话题。降压型DC/DC转换器所必须的电容器有输出电容器和输入电容器。首先说明输出电容器。电容器的选定与电感的选定同样重要。选定方法或推荐种类等基本上出现于技术规格或相关支持数据,请试着配合并进行确认。

输入电容器和输出电容器的作用

首先,为了理解输入电容器和输出电容器的作用,我们先来重温一下降压型DC/DC转换器的电流的流向。通过理解流向各种电容器的不同电流性质,可以清楚明白应选择哪种电容器。
20D_graf01.gif

在“降压转换器的基本工作”中也使用相同图表,框中上方ICO为输出电容器、下方的ICIN为输入电容器的电流波形。输入电容器可从VIN充电,当晶体管Q1为ON时会放出开关电流IDD。比较大的电流会急剧反复流动。输出电容器以输出电压为中心反复与输出纹波电压连动进行充放电工作。

输出电容器的选定

从这里,进入输出电容器的话题。输出电容器的选定的重要因素有以下3个。
1)额定电压
2)额定纹波电流
3)ESR(等效串联电阻)

当然,电容器可施加的电压及纹波电流必须在电容器的最大额定以下。此外,ESR与电感电流相关,且是决定输出纹波电压的重要因素,因此必须充分探讨。

输出电容器的纹波电流如上图的ICO所示是三角波,而其实效值则用下面公式表示。

20D_graf02.gif

输出纹波电压是通过上图的电感电流IL纹波ΔIL和输出电容器的容值、ESR、ESL所产生的电压合成波形,用下面公式表示。

20D_graf03.gif

如果以波形表示,则为以下图像。

20D_graf04.gif

通过开关所产生的电感电流纹波ΔIL将产生与ESR成单纯正比的纹波电压,有些ESL则会产生方形波电压,与电容值部分合成,最下方波形成为最终的输出纹波电压波形。

以下是表示输出纹波电压的公式。电容器的纹波电压和ESR的纹波由于相位偏离,故无法进行单纯的加算,不过却是纹波电压的最差值概算常用的公式。

20D_graf05.gif

由此公式可知,输出纹波电压如果要变小的话,须降低ESR,增加输出电容器,提高开关频率,使IL在必要最低限。

近年来,输出电容器中使用叠层陶瓷电容器的例子似乎正逐渐增加。陶瓷电容器由于ESR和ESL非常小,可观察的纹波电压几乎都源自电容值。


输入电容器的选定

前面已经说明输出电容器作用和选择的要点。接下来则进入输入电容器的说明。这里也沿用输出电容器部分中的图表,首先进行重温以便于理解。

输入电容器和输出电容器的作用

和前面一样,想象DC/DC转换器电流的流动示意图,温习输入及输出电容器会有何种性质的电流流动。

20D_graf01.gif

框中的上方ICO为输出电容器、下方ICIN为输入电容器的电流波形。输入电容器可从VIN充电,当晶体管Q1为ON时会放出开关电流IDD。比较大的电流会急剧反复流动。输出电容器以输出电压为中心反复与输出纹波电压连动进行充放电工作。

输入电容器的选定

输入电容器的选定的重要因素有以下3个。
1)额定电压
2)额定纹波电流及纹波发热特性
3)使用陶瓷电容器时:温度特性和DC偏置特性

此外,选择前请注意以下几点:
・额定电压必须比最大输入电压高。
・额定纹波电流必须比IC输入所发生的最大输入纹波电流大。
・降压转换器中,瞬间输入电流的最大值与输出电流相同。

流向输入电容器的纹波电流实效值ICIN用下列公式表示。

21D_graf01.gif

以此结果为主,并且根据电容器纹波电流绝对最大额定和纹波发热特性的图表来选择可对应电容器。

输入纹波电压ΔVIN用以下公式计算。

21D_graf02.gif

由此公式可知,如果输入电容器变大时,输入纹波电压会变小。

可以选择陶瓷电容器作为输入电容器。使用陶瓷电容器时,一般必须注意温度变化和DC偏置导致的电容器变化。

关于温度特性,如果为CLASS2(高介电常数型)型的EAI符号X5R(-55~+85℃、电容值变化率 ±15%)或X7R (-55~+125℃、电容值变化率 ±15%)的话,可充分获得稳定的温度特性。

关于DC偏置,当然须选择影响少的,不过即使电容值、耐压相同,变动特性也会因封装尺寸而异。下方图表为其一例,显示尺寸大者变动少。总之,请务必从电容器厂商取得充分的信息。

21D_graf03.gif

基本上,必须根据这些信息选择输入电容器,不过试作评估时也有必要确认掺入纹波的输入电压没有超过耐压、没有因纹波电流而产生无法承受的发热等。


总结

本章介绍了电感和电容器是降压型DC/DC转换器的重要元器件,其选型对性能和特性具有重大影响。关于其选型,多数情况下所使用的电源IC的技术规格或应用指南或设计手册等补充资料中已有说明。首先利用这些说明或公式进行设计。

只是遗憾的是,尽管完全按手册进行设计也未必能实现最佳的工作。此时,评估后需要变更常量,但盲目变更可能会导致无法解决的问题,或虽然问题消失了但不知为何消失等,后果是对是否能移交量产没有把握。

为了避免这样的后果,很重要的一点是要了解降压型DC/DC转换器的基本工作及其相关电流流向。此外,还需要掌握如果电感值和电容值产生变化,那么什么项目怎样变化的计算公式以及基于实测的经验。

以下为各项总结。

DC/DC转换器的电感和电容器的选定
① 降压转换器的基本工作
  • DC/DC转换器的设计中,电感和输入输出电容器的选型特別重要。
  • 必须了解电路工作、电流路径、各零件的作用。
②电感的选定
  • 计算所需的电感值L
  • 计算流经电感的最大电流(输出电流+1/2纹波电流)
  • 根据已计算的L值(或近似)选择已计算电感饱和电流的最大电流以上的电感
  • 在短路或瞬态状态下可能会流出最大计算值以上的电流,因此也有基于最大开关电流来选择的方法
  • 基本上根据计算并考虑余量
  • 余量的求取法基于公司的设计规则或经验法则。
③输出电容器的选定
  • 输出电容器选型的重要因素
    1)额定电压
    2)额定纹波电流
    3)ESR(等效串联电阻)
  • 电容器可施加的电压及纹波电流必须在电容器的最大额定以下
  • ESR与电感电流相关,且是决定输出纹波电压的重要因素
④输入电容器的选定
  • 输入电容器选型的重要因素
    1)额定电压
    2)额定纹波电流及纹波发热特性
    3)使用陶瓷电容器时:温度特性和DC偏置特性                                                               
  • 额定电压必须比最大输入电压高
  • 额定纹波电流必须比IC输入所发生的最大输入纹波电流大
  • 降压型转换器中,瞬间输入电流的最大值与输出电流相同
以上


补充-输入电容器的选型

本文是对“输入电容器的选型”的补充。

输入电容器的选型-补充

在前面的文章中,为了对输入电容器进行选型,回顾了输入电容器和输出电容器作用,并介绍了输入电容器选型的关键要点、电压和纹波电流的额定值、纹波发热特性、陶瓷电容器的温度特性和DC偏置特性。

由于许多实际电路中的输入电容器是除前面文章中介绍的主要CIN外,还常与用来降低高频噪声的被称为“CBYPASS”的电容器相结合使用,因此在本文中将对CBYPASS进行补充说明。

输入电容器CBYPASS的作用

DC/DC转换器的输入需要电容量较大的输入电容器CIN,其作用是作为输出开关导通后从输入急剧流入电流时的电流供给源,用来降低此时产生的纹波电压。通过采用适合的CIN,可使输入电压相对于输出开关保持稳定。右图是经常用来解释相关内容的示意图。

D6-1_1.gif

但是,在实际的输入中,不仅有本来的输入电流ON/OFF带来的纹波,开关引起的高频电流转移也表现为电压尖峰或噪声。这些会作为噪声干扰给其他部分带来不利影响,因此需要降低。下图表示相对于输入中的电流转移,纹波与噪声的关系。

D6-1_2.gif

综上所述,输入中存在开关频率的纹波和高频噪声两种频段的噪声。

如前所述,CIN的主要目的是降低纹波电压,因此应该选用静电量容较大的电容器。然而,一般情况下,适合CIN的电容器在高频段的阻抗特性较差,即使能够有效降低纹波电压,也不能充分降低高频噪声。因此,就需要在更高频段增加阻抗低的电容器。为区别于CIN,将这种电容器称为“CBYPASS”。通常使用约0.1µF的陶瓷电容器。其目的与“用于降低高频噪声用的去耦(或旁路)电容器”相同。

下图是同时存在CIN和CBYPASS的电路示例,C2为CIN,C4为CBYPASS。另外,作为示例给出了CIN=22µF、CBYPASS=0.1µF的阻抗特性。输入可获得两种电容器的合成阻抗特性。

D6-1_3.gif

如果输入电容器的电容量较小也可以,则可以采用1个陶瓷电容器,CIN和CBYPASS并用。但是,需要确认电容器的阻抗特性以及产生的纹波和噪声的频率。

在PCB板上配置时的注意事项

输入电容器应尽量靠近IC的VIN引脚配置,这是PCB布局的大原则。众所周知,如果配置距离过远,将需要通过与其距离相应的PCB布线的寄生电感,因电感和急剧的电流ON/OFF,会产生意想不到的大尖峰电压。

此外,还有一个原则就是电容量小的电容器要配置于离噪声源近的位置。在这种情况下,由于VIN(PVIN)引脚对应噪声源,因此如电路图所示,从IC的PVIN看,应按CBYPASS(C4)、CIN(C2)的顺序进行配置。CIN一般选用小的积层陶瓷电容器,因此比较容易靠近IC的VIN引脚附近配置。


来源:techclass.rohm
您需要登录后才可以评论 登录 | 立即注册

最新评论

楼层直达:
快速回复
0
5
广告
关闭 热点推荐上一条 /3 下一条
快速回复 返回列表