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如何选择DC/DC可调直流电源转换器的电感和电容?

在DC/DC可调直流电源转换器的设计上,电感和电容器的选择特別重要,必须充分理解电路工作、电流路径、各器件担负什么工作或任务,才能选择合适的电感和电容。本文从思考步骤、计算公式、实例上给出了如何为降压型DC/DC可调直流

电源转换器选择合适的电感和电容。

电感的选择

在设计降压型DC/DC可调直流电源转换器时,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

(注意: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。

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。

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。

电感的选定实例

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

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。 

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。

电容的选择

降压型DC/DC可调直流电源转换器所必须的电容器有输出电容器和输入电容器。先来看一下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,先来重温一下降压型DC/DC可调直流电源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。 
如何选择DC/DC可调直流电源转换器的电感和电容?
图中上方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

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。 

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。 

如果以波形表示,则为以下图像。

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。 

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。

小结一下,在输出电容器的选定上,额定电压、额定纹波电流、ESR都是重要因素。除了平滑化、稳定化之外,当然也与输出纹波电压有密切的关系。

输入电容的选择

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。

输入电容器的选定的重要因素也有以下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。

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。

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。
 
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,在选择输入电容器时,重点考虑的是额定电压、额定纹波电流、纹波发热特性、尤其是陶瓷电容器时温度特性和DC偏置特性。

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