空間級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器選擇無(wú)源器件的技巧分享

隨著航天航空電子設(shè)備中越來(lái)越多地使用低壓，高電流負(fù)載（例如FPGA），工程師越來(lái)越需要設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)模式調(diào)節(jié)器來(lái)生成電源軌。之前，我描述了降壓拓?fù)淙绾螆?zhí)行dc-dc轉(zhuǎn)換，以及從供應(yīng)商選擇空間級(jí)設(shè)備時(shí)要考慮的標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)合格部件都集成了開(kāi)關(guān)和低端FET，但需要一個(gè)外部電感器以及輸入和輸出電容器。這些無(wú)源器件的選擇非常重要，因?yàn)樗鼈儧Q定了轉(zhuǎn)換的質(zhì)量，即輸入和輸出紋波，負(fù)載調(diào)節(jié)以及對(duì)單事件效應(yīng)（SEE）的響應(yīng)。

電源設(shè)計(jì)從其本質(zhì)上講就充滿了折衷和折衷，例如成本，尺寸，性能和可靠性。但是，還存在優(yōu)化和減小儲(chǔ)能無(wú)源元件的尺寸和質(zhì)量的范圍。

開(kāi)關(guān)DC-DC通過(guò)控制通態(tài)和關(guān)態(tài)的占空比，基于流入和流出DC-DC的能量來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，能量從輸入源流入轉(zhuǎn)換器，在降壓的情況下，其中一些以磁能（0.5 *LI2）的形式存儲(chǔ)在電感器中，而另一些則直接傳遞到輸出中（正向）拓?fù)洌?。?lèi)似地，在關(guān)閉間隔期間，能量從轉(zhuǎn)換器傳遞到負(fù)載。為了降壓，它來(lái)自電感器，該電感器先前在FET導(dǎo)通時(shí)存儲(chǔ)在該電感器中。

在導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)添加到電感的能量始終等于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)傳遞到負(fù)載的能量，即，電感在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)的電流和能量與開(kāi)始時(shí)完全相同。穩(wěn)態(tài)的定義！

圖1該圖顯示了降壓調(diào)節(jié)器的開(kāi)關(guān)周期。

例如，假設(shè)開(kāi)關(guān)頻率為500 kHz，輸入為+ 5.5V，負(fù)載電壓為+ 0.95V，負(fù)載電流為18 A，轉(zhuǎn)換效率為90％，則得到的輸入和輸出功率為19和17.1W。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)汲取的源能量為38 μJ，F(xiàn)ET關(guān)斷時(shí)的能量輸出為34.2 μJ。在500 kHz的頻率下，調(diào)節(jié)器處理的總能量為17.1 J / s或按定義為17.1W。

當(dāng)我們向電感器添加能量時(shí)，流經(jīng)電感器的電流會(huì)線性上升。當(dāng)我們?nèi)コ芰繒r(shí)，電流會(huì)下降，從而導(dǎo)致觀察到交流電流紋波。以類(lèi)似的方式，當(dāng)我們向電容器添加能量時(shí)，電容器兩端的電壓線性上升。當(dāng)我們除去能量時(shí)，電壓下降，從而導(dǎo)致觀察到交流電壓紋波。開(kāi)關(guān)動(dòng)作不斷地增加和消除能量，從而產(chǎn)生流經(jīng)電感器的電流紋波和電容器兩端的電壓紋波。對(duì)于這兩者，都有相對(duì)于其直流電平的最大可容忍交流變化量的準(zhǔn)則。

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，當(dāng)開(kāi)關(guān)FET導(dǎo)通時(shí)，電感器將輸入能量存儲(chǔ)在其磁場(chǎng)中，而當(dāng)高端晶體管關(guān)斷時(shí)，電感器將其傳遞到負(fù)載。電感值的選擇基于要傳遞給負(fù)載的電流紋波的大小，由幾何比r定義：

其中Iload是平均電感器電流，ΔIload是電流擺幅，Iac和Idc分別是電感器電流的ac和dc值。亨利中與r相關(guān)的最終電感可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

其中fsw是赫茲的開(kāi)關(guān)頻率。

例如，要在18 A電流下產(chǎn)生+ 0.95V電壓軌，下表列出了以安培為單位的絕對(duì)峰峰值電感電流紋波和Iload的百分比，以及作為r的函數(shù)得出的電感：

表1電感紋波和電感的計(jì)算

電感的值與負(fù)載電流和開(kāi)關(guān)頻率成反比，而其物理尺寸和質(zhì)量與Iload成正比。

完全集成的空間級(jí)降壓穩(wěn)壓器可提供總體上較小的外形尺寸，并且易于設(shè)計(jì)，同時(shí)還必須添加外部磁和無(wú)源元件，從而使設(shè)計(jì)人員可以更好地控制電流紋波的電平，從而控制電壓變化傳遞給負(fù)載。

圖2比較完全集成和非集成的空間級(jí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

大電感會(huì)產(chǎn)生較小的電流紋波，從而降低負(fù)載中的電壓波動(dòng)。較大的電感（由于其自然會(huì)抵抗電流變化的趨勢(shì)）會(huì)減慢調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)，并由于較大的固有dc電阻而增加功率損耗。較小的電感可提高調(diào)節(jié)速度，但會(huì)增加輸出紋波量，并有將電感驅(qū)動(dòng)至飽和的風(fēng)險(xiǎn)。重要的是，不要超過(guò)電感的均方根電流和飽和電流額定值，后者要大于計(jì)算出的峰值。磁體的物理尺寸必須與其能量處理能力相匹配，并且需要更大的磁芯來(lái)處理更高的功率。另請(qǐng)檢查電感的容差，對(duì)于某些供應(yīng)商，其容差可能會(huì)高達(dá)30％，

電感器電流紋波表現(xiàn)為輸出電壓的變化，輸出電容的功能之一是減少負(fù)載看到的紋波量。電容器ESR和ESL是確定與電感器電流相關(guān)的輸出電壓紋波的重要參數(shù)。

電容器自然可以抵抗交流電的變化。電壓，一旦充電，就有保持電壓的趨勢(shì)，尤其是在直流電之上存在紋波的情況下。如果電容器尺寸適當(dāng)，將太慢而無(wú)法跟上由于紋波引起的電壓波動(dòng)，因此它們會(huì)被濾除。

當(dāng)FET關(guān)斷時(shí)，輸入與輸出斷開(kāi)，但是，負(fù)載始終需要連續(xù)的能量流。在這段時(shí)間內(nèi)，輸出電容還必須存儲(chǔ)足夠的電荷以為負(fù)載提供輸出：當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，電感電流在為負(fù)載供電時(shí)會(huì)減小，而輸出電容則可以緩沖這種電流變化，因此負(fù)載的電壓幾乎恒定。

輸出電容還決定了調(diào)節(jié)器如何響應(yīng)負(fù)載電流的大變化。它的大小必須適當(dāng)以在DC-DC無(wú)法且直到DC-DC的反饋控制回路能夠響應(yīng)之前提供負(fù)載。下面的公式指定了完成此操作所需的最小輸出電容：

而以下公式可計(jì)算滿足目標(biāo)輸出電壓紋波要求的最小輸出電容：

由電感器和輸出電容形成的LC濾波器去除了開(kāi)關(guān)波形的ac分量，以輸出平均（dc）電壓。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸出電容通過(guò)以負(fù)載電壓為中心的紋波反復(fù)充電和放電。圖1中的跡線Ico繪制了流入輸出電容的連續(xù)電流。

通常，并聯(lián)使用各種不同的電容器，以最小化等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）對(duì)輸出紋波和均流的影響，以確?？煽康墓ぷ?。根據(jù)零件的額定紋波電流，工作電壓和寄生蟲(chóng)來(lái)選擇零件。

圖3繪制了由ESR，ESL和電容產(chǎn)生的紋波電壓貢獻(xiàn)。ESR的貢獻(xiàn)是電阻*電流，電容分量是電流和時(shí)間的積分，產(chǎn)生三角波，ESL分量可以表示為導(dǎo)數(shù)，在每個(gè)開(kāi)關(guān)瞬間都會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)尖峰，從而產(chǎn)生高頻脈沖-像噪音。電容器兩端的總電壓波動(dòng)包括以下三個(gè)成分的總和：

在輸出端看到的峰峰值電壓紋波與電容和開(kāi)關(guān)頻率成反比，但與負(fù)載電流，ESR和ESL成正比。

圖3此操作分析顯示了ESR，ESL和電容對(duì)紋波電壓的影響。

圖4比較了從鉭電容和多層陶瓷電容器（MLCC）測(cè)得的紋波電壓。MLCC具有較低的固有ESR，并且增加電容量可進(jìn)一步降低紋波。

圖4這些圖顯示了電容器類(lèi)型和電容對(duì)紋波電壓的影響。

輸入電容可將在DC-DC開(kāi)關(guān)處看到的源紋波電壓降低到大容量電容器可以處理的水平，而不會(huì)影響大容量電容器的ESR耗散。對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，當(dāng)FET導(dǎo)通并導(dǎo)通時(shí)，其輸入電流的ac部分由電容提供。當(dāng)高端開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，輸入電容充電，圖1中的跡線Ic（IN）繪制出具有高di / dt和峰峰值幅度的不連續(xù)梯形波形。該源無(wú)法產(chǎn)生如此迅速變化的脈動(dòng)電流。

大容量輸入電容用于最小化電源電壓偏差，以確保負(fù)載瞬變期間的穩(wěn)定輸出。電容越高，擾動(dòng)越小，它與負(fù)載電流的變化成正比。

確定輸入電容量的一個(gè)很好的起點(diǎn)是指定峰峰值電壓紋波的目標(biāo)電平，該目標(biāo)電平與電容和開(kāi)關(guān)頻率成反比，但與負(fù)載電流和ESR成正比：

對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，輸入電容器的均方根電流要比輸出電容器中的均方根電流高得多，前者是由其應(yīng)力要求決定的，而在輸出端，僅是最大允許負(fù)載紋波決定了電容的大小。電容器的最大允許均方根電流可以根據(jù)其最大功耗（由其外殼尺寸，ESR和可承受的溫升得出）來(lái)計(jì)算。

通常，并聯(lián)使用各種不同的電容器以最小化ESR和ESL對(duì)輸入紋波以及電流共享的貢獻(xiàn)，以確保可靠的工作。根據(jù)零件的額定紋波電流，工作電壓，自發(fā)熱，ESR和ESL選擇零件，并使用多層陶瓷，因?yàn)樗鼈兊募纳禂?shù)低。因此，觀察到的紋波幾乎完全歸因于實(shí)際電容，因此必須注意熱和直流偏置對(duì)電容器值的影響。對(duì)溫度不太敏感的電介質(zhì)通常用于最小化電容的變化。溫度越高，包括壽命在內(nèi)的可靠性越低。

設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓器時(shí)，需要權(quán)衡很多：較高的開(kāi)關(guān)頻率可降低輸入和輸出電容器中的紋波電壓電平，并減少DC-DC所需的電容量。但是，減小后者會(huì)增加電壓紋波的幅度，而以更快的速率進(jìn)行切換則會(huì)增加交流損耗，從而影響效率。還存在優(yōu)化的機(jī)會(huì)，例如，對(duì)于給定的電壓紋波目標(biāo)，如果增加開(kāi)關(guān)頻率以使用較小的能量存儲(chǔ)組件，則可以減小電容。

較小的電感具有較低的DCR，可改善瞬態(tài)響應(yīng)，并且對(duì)于給定的瞬態(tài)性能，所需的輸出電容也較小。較大的電感導(dǎo)致較低的紋波電流，因此等效輸出紋波所需的電容較小。

如果超過(guò)電感的飽和電流，其電感將下降，從而增加紋波電流：電感下降30％將使紋波電流增加40％以上，并使磁芯飽和。屏蔽電感器可降低EMI和潛在干擾，但由于制造成本增加，價(jià)格稍貴。屏蔽會(huì)降低飽和電流，從而降低最大允許均方根電流。Lsat也隨溫度而變化！

直到下個(gè)月，第一個(gè)告訴我0603和0805尺寸MLCC的最大功率消耗的人將贏得“火箭科學(xué)家世界巡回賽T恤”課程。恭喜來(lái)自加拿大多倫多的戴夫（Dave），第一個(gè)回答我上一篇文章中的謎語(yǔ)的人。

Rajan Bedi博士是Spacechips的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人，該公司設(shè)計(jì)和制造了一系列先進(jìn)的L至Ku頻段，超高通量板載處理器和應(yīng)答器，用于電信，地球觀測(cè)，導(dǎo)航，互聯(lián)網(wǎng)和M2M / IoT衛(wèi)星。

編輯：hfy