選擇合適的無源和分立元件實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能

有源和無源元件的選擇將對(duì)整體電源性能產(chǎn)生巨大影響。效率、產(chǎn)生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都將以某種方式取決于所選的外部組件。本文介紹設(shè)計(jì)人員需要了解的典型SMPS設(shè)計(jì)中以下外部無源和有源元件的最重要規(guī)格：電阻、電容、電感、二極管和MOSFET。

開關(guān)模式電源（SMPS）在很大程度上已成為創(chuàng)建多個(gè)電源軌的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，其中效率至關(guān)重要。在電池供電/便攜式應(yīng)用中尤其如此，因?yàn)殚L電池壽命至關(guān)重要。

設(shè)計(jì)動(dòng)力鏈有許多不同的方法。我們可以使用降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器、降壓-升壓轉(zhuǎn)換器（升壓和降壓）以及許多其他拓?fù)?。它們的共同點(diǎn)是需要性能良好的外部有源和無源組件，以使系統(tǒng)以最佳方式工作。

某些電源IC解決方案可能只需要三個(gè)外部元件，例如ADP2108降壓穩(wěn)壓器。由于具有內(nèi)部電源開關(guān)，該開關(guān)模式穩(wěn)壓器只需要三個(gè)外部元件：一個(gè)輸入和輸出電容器以及一個(gè)電感器。外部組件的上限幾乎是無限的，具體取決于拓?fù)浜碗娫匆?。在解決設(shè)計(jì)中的成本、性能和系統(tǒng)可靠性問題時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須了解哪些參數(shù)對(duì)于選擇正確的組件至關(guān)重要。

電阻

電阻器已廣為人知，它們對(duì)SMPS的影響相當(dāng)有限。但是，在使用它們的地方，了解它們的潛在影響非常重要。反饋、補(bǔ)償和電流檢測就是這些地方。

使用可調(diào)穩(wěn)壓器時(shí)，將使用外部電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸出電壓進(jìn)行分壓，為穩(wěn)壓器提供反饋。電阻容差將在這里發(fā)揮作用，電阻溫度系數(shù)（tempco）也將發(fā)揮作用。較新的FPGA和處理器具有較低的內(nèi)核電壓，對(duì)電源電壓的容差要求更高。對(duì)于內(nèi)核電壓為1 V的FPGA，5%容差僅為50 mV。

在圖1中，我們展示了電阻容差以及電阻溫度系數(shù)如何極大地影響最終設(shè)計(jì)。

圖1.

ADP2301降壓穩(wěn)壓器具有0.8 V基準(zhǔn)電壓源。輸出電壓將為

如果我們定義電路的增益為

針對(duì)1 V輸出電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們將選擇R2 = 10 kΩ并計(jì)算R1 = 2.5 kΩ。電路的增益將為

如果使用5%容差電阻和裕量處理最壞情況，我們的增益為

這相當(dāng)于輸出電壓容差±2%。在需要5%電源電壓容差的系統(tǒng)中，我們已經(jīng)消耗了很大一部分誤差預(yù)算。

使用1%容差電阻的相同設(shè)計(jì)具有±0.4%的誤差。

電阻溫度系數(shù)也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。如果R1的額定溫度為+100 ppm/°C，R2的額定溫度為–100 ppm/°C，則100°C的溫升將增加0.4%的額外誤差。出于這些原因，建議使用1%容差或更好的電阻。溫度系數(shù)低至10 ppm/°C的電阻器是現(xiàn)成的，但會(huì)增加系統(tǒng)成本。

電容器

電容器在SMPS設(shè)計(jì)中執(zhí)行多種功能：能量存儲(chǔ)、濾波、補(bǔ)償、軟啟動(dòng)編程等。與所有實(shí)際器件一樣，設(shè)計(jì)人員必須注意電容寄生效應(yīng)。在SMPS儲(chǔ)能和濾波的背景下，兩個(gè)最重要的寄生效應(yīng)是有效串聯(lián)電阻（ESR）和有效串聯(lián)電感（ESL）。圖2顯示了實(shí)際電容器的簡化圖。

圖2.

理想電容器的阻抗與頻率的關(guān)系將隨著頻率的增加而單調(diào)下降。圖3顯示了兩個(gè)不同的100 μF電容的阻抗與頻率的關(guān)系。一種是鋁電解型，另一種是多層陶瓷電容器。如預(yù)期的那樣，在低頻下，阻抗隨著頻率的增加而單調(diào)下降。但是，由于ESR，在某些頻率下，該阻抗達(dá)到最小值。隨著頻率的不斷增加，電容器的行為開始更像電感器，阻抗的頻率也會(huì)增加。阻抗與頻率曲線稱為“浴缸”曲線，所有實(shí)際電容器都以這種方式運(yùn)行。

圖3.

圖4顯示了降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中的電容功能。輸入電容將看到較大的不連續(xù)紋波電流。該電容器需要額定高紋波電流（低ESR）和低電感（ESL）如果輸入電容器ESR過高，將導(dǎo)致電容器內(nèi)的I*R功耗。這將降低轉(zhuǎn)換器效率，并可能使電容器過熱。輸入電流的不連續(xù)特性也會(huì)與ESL相互作用，導(dǎo)致輸入端出現(xiàn)電壓尖峰。這會(huì)將不需要的噪音引入系統(tǒng)。降壓轉(zhuǎn)換器中的輸出電容將看到通常較低的連續(xù)紋波電流。ESR應(yīng)保持在較低水平，以獲得最佳效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。

圖4.

圖5顯示了升壓轉(zhuǎn)換器中的去耦電容功能。輸入電容將看到連續(xù)紋波電流。應(yīng)選擇具有低ESR的電容器，以最大程度地減少輸入端的電壓紋波。輸出電容將看到較大的不連續(xù)紋波電流。這里需要低 ESR 和低 ESL 電容器。

圖5.

在降壓-升壓轉(zhuǎn)換器中，輸入和輸出電容將出現(xiàn)不連續(xù)的紋波電流。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要使用低 ESR 和低 ESL 電容器。

明智的做法是并聯(lián)使用多個(gè)電容器來構(gòu)建更大的電容。電容將并聯(lián)增加。此外，ESR和ESL將同時(shí)降低。通過并聯(lián)使用兩個(gè)（或多個(gè)）電容器，您將獲得更大的電容和更低的電感和電阻。很多時(shí)候，這是獲得所需的高電容和低ESR以滿足設(shè)計(jì)要求的唯一方法。

使用ADI公司的ADIsimPower等在線設(shè)計(jì)工具將考慮這些權(quán)衡，并幫助您優(yōu)化設(shè)計(jì)。

有各種不同的電容器類型可供選擇。鋁電解、鉭和多層陶瓷是三種最常用的類型。與大多數(shù)工程決策一樣，選擇正確的類型需要權(quán)衡。

鋁電解電容器以低成本提供大價(jià)值。它們代表了所有選項(xiàng)中最佳的成本/μF。鋁電解電容器的主要缺點(diǎn)是ESR高，可以在幾歐姆的數(shù)量級(jí)。請務(wù)必使用開關(guān)型電容器，因?yàn)檫@些電容器的ESR和ESL低于通用電容器。鋁電解電容器還依賴于電解質(zhì)，電解質(zhì)會(huì)隨著時(shí)間的推移而變干，從而縮短其使用壽命。

鉭電容器使用鉭粉作為電介質(zhì)。與同等的鋁電容器相比，它們以更小的封裝提供較大的價(jià)值，但成本更高。ESR往往在100 mΩ范圍內(nèi)，低于鋁。由于它們不使用液體電解質(zhì)，因此它們的使用壽命比鋁電解型長。因此，它們在高可靠性應(yīng)用中很受歡迎。鉭電容器對(duì)浪涌電流敏感，有時(shí)需要串聯(lián)電阻來限制浪涌電流。小心保持在制造商推薦的浪涌電流額定值以及電壓額定值范圍內(nèi)。鉭電容器的故障模式可能是火焰燒毀。

多層陶瓷電容器 （MLCC） 采用小型表面貼裝封裝，具有極低的 ESR （<10 mΩ） 和 ESL （<1 nH）。MLCC的尺寸最高可達(dá)100 μF，但物理尺寸和成本將隨著值>10 μF的增加而增加。 請注意MLCC的額定電壓以及其結(jié)構(gòu)中使用的電介質(zhì)。實(shí)際電容會(huì)隨施加的電壓而變化，稱為電壓系數(shù)，并且根據(jù)所選的電介質(zhì)，變化可能非常大。圖6顯示了三種不同電容的電容與施加電壓的關(guān)系。X7R型電介質(zhì)提供最佳性能，強(qiáng)烈建議使用。陶瓷電容器由于電介質(zhì)的壓電特性，對(duì)PCB振動(dòng)很敏感，產(chǎn)生的電壓噪聲會(huì)擾亂敏感的模擬電路，如PLL。在這些敏感應(yīng)用中，不受振動(dòng)影響的鉭電容器可能是更好的選擇。

圖6.

電感

電感器是一種磁性儲(chǔ)能元件，通常由纏繞在鐵磁芯上的線圈組成。流過電感器的電流會(huì)在磁芯中感應(yīng)出磁場。這個(gè)磁場是能量儲(chǔ)存的機(jī)制。由于電感中的電流不能瞬時(shí)變化，因此當(dāng)在電感器上施加電壓時(shí)，電流將斜坡上升。圖7顯示了電感中的電流波形。

圖7.

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，電感兩端出現(xiàn)全電壓 （V）。電感中的電流將以V/L的速率斜坡上升。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，電流將以相同的速率斜坡下降，并且隨著磁場的崩潰會(huì)產(chǎn)生較大的電壓。這個(gè)磁場就是儲(chǔ)能機(jī)制。電感的簡化模型如圖8所示。

圖8.

除電感外，還將有一個(gè)串聯(lián)電阻（DCR）和一個(gè)并聯(lián)電容。DCR主要是線圈電阻的影響，在計(jì)算電感中的功率損耗時(shí)非常重要。并聯(lián)電容和電感會(huì)導(dǎo)致電感自諧振。自諧振頻率可由下式計(jì)算

一個(gè)好的經(jīng)驗(yàn)法則是保持開關(guān)頻率比電感的自諧振頻率低十倍。在大多數(shù)設(shè)計(jì)中，這不會(huì)成為問題。

電感內(nèi)的功率損耗會(huì)導(dǎo)致電感內(nèi)的溫升以及效率損失。電感器的功率損耗主要分為兩類。設(shè)計(jì)師需要了解兩者。繞組電阻 （DCR） 損耗僅為 I2導(dǎo)線內(nèi)×R損耗。這些也稱為銅損耗。電感中功率損耗的其他因素稱為磁芯損耗。磁芯損耗是磁滯和磁芯內(nèi)渦流的組合。磁芯損耗更難計(jì)算，甚至可能沒有數(shù)據(jù)手冊，但會(huì)導(dǎo)致磁芯內(nèi)的功耗和溫升。ADI公司從電感制造商處獲取磁芯損耗信息，并將其納入其在線設(shè)計(jì)工具ADIsimPower。這將允許準(zhǔn)確的磁芯損耗信息及其對(duì)整個(gè)SMPS設(shè)計(jì)的影響。

圖9顯示了降壓和升壓模式電源設(shè)計(jì)中的電感功能。電感器的主要功能是儲(chǔ)能，但它也充當(dāng)濾波器。電感值的選擇從確定所需的最大紋波電流開始。一個(gè)好的起點(diǎn)是降壓轉(zhuǎn)換器使用30%的直流負(fù)載電流，升壓轉(zhuǎn)換器使用30%的直流輸入電流。這樣，可以使用圖9中的公式計(jì)算電感值。

圖9.

電感容差開箱即用可達(dá)±30%，因此請務(wù)必將其包含在計(jì)算中。另外，請務(wù)必選擇具有以下功能的電感器

其中Isat是電感的飽和電流。飽和電流是電感下降一定百分比的電流。該百分比因制造商而異，從 10% 到 30% 不等。選擇電感時(shí)，請務(wù)必注意飽和電流隨溫度的變化，因?yàn)殡姼衅骺赡茉诟邷叵鹿ぷ?。在電感降?0%的情況下工作通常是可以接受的，前提是這是最壞的情況。使用大于必要尺寸的電感器將占用更多的PCB空間，并且通常更昂貴。較高的開關(guān)頻率將允許使用較低值的電感器。

SMPS電感器主要使用兩種磁芯材料，即鐵粉和固體鐵氧體。鐵粉芯在材料內(nèi)有氣隙，可提供“軟”飽和曲線。由于對(duì)飽和的軟響應(yīng)，使用這種磁芯材料的電感器將更適合需要大瞬時(shí)電流的應(yīng)用。

鐵氧體磁芯電感的飽和速度更快，但成本更低，磁芯損耗也更低。

為電路選擇合適的電感值不是一個(gè)簡單的計(jì)算，但大多數(shù)設(shè)計(jì)都可以在相當(dāng)寬的電感值范圍內(nèi)工作。

低阻值電感器的優(yōu)點(diǎn)包括

降低直流電比

更高的飽和電流

更高的di/dt

更快的開關(guān)頻率

更好的瞬態(tài)響應(yīng)

高值電感器的優(yōu)點(diǎn)包括

更低的紋波電流

降低磁芯損耗

降低電路開關(guān)中的均方根電流

滿足輸出紋波規(guī)格所需的較低電容

電感器系列中相對(duì)較新的參與者是多層片式電感器。這些片式電感器采用非常小的物理尺寸（0805），并允許非常小的整體設(shè)計(jì)。電感值目前最高可達(dá)4.7 μH，因此它們通常適用于更高的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)。小尺寸也限制了電流處理能力，約為1.5 A，因此它們不適用于更高功率的設(shè)計(jì)。與標(biāo)準(zhǔn)繞線電感器相比，它們成本更低、尺寸更小、DCR 更低，因此可能適合您的應(yīng)用。

屏蔽電感與非屏蔽電感

雖然屏蔽電感更昂貴，飽和電流更低（對(duì)于相同的物理尺寸和值），但它們大大降低了EMI。幾乎總是值得使用屏蔽電感器來幫助避免設(shè)計(jì)中的任何EMI問題。當(dāng)使用更高的開關(guān)頻率時(shí)尤其如此。

二極管

異步開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用無源開關(guān)。開關(guān)通常采用二極管的形式。但是，由于二極管的正向壓降，異步設(shè)計(jì)通常限制在<3 A輸出，否則效率下降會(huì)太大。

對(duì)于除最高電壓設(shè)計(jì)外的所有設(shè)計(jì)，肖特基二極管是異步穩(wěn)壓器的推薦選擇。它們的擊穿電壓高達(dá) ~100 V。與硅二極管相比，肖特基二極管的正向壓降較低，大大降低了功耗。

有效的零反向恢復(fù)時(shí)間還可以防止二極管中的開關(guān)損耗。

肖特基二極管還提供超低正向壓降。這些器件僅在高達(dá) ~40 V 的擊穿電壓下可用，并且成本會(huì)更高，但會(huì)進(jìn)一步降低二極管的功耗。

選擇二極管時(shí)，必須考慮正向壓降、擊穿電壓、平均正向電流和最大功率耗散。選擇正向壓降盡可能低的器件，但一定要使用數(shù)據(jù)手冊中的數(shù)字，以反映設(shè)計(jì)中電流下的正向壓降。通常，正向壓降會(huì)隨著正向電流的增加而大大增加。較高的正向壓降將導(dǎo)致器件中的功耗更大。反過來，這會(huì)降低轉(zhuǎn)換器效率，并可能使二極管過熱。

二極管具有負(fù)正向電壓溫度系數(shù)。這將是一把雙刃劍。一方面，隨著二極管溫度的升高，正向壓降將減小，從而降低器件內(nèi)的功耗。然而，由于這種效應(yīng)，不建議將二極管并聯(lián)以共享電流，因?yàn)橐粋€(gè)二極管往往會(huì)主導(dǎo)并占用并聯(lián)系統(tǒng)中的所有電流。

二極管的擊穿電壓應(yīng)高于系統(tǒng)中的電壓。正向電流額定值應(yīng)大于電路電感的設(shè)計(jì)均方根電流。當(dāng)然，二極管需要能夠耗散足夠的功率以避免過熱。選擇最大功耗規(guī)格大于設(shè)計(jì)要求的器件。ADIsimPower是ADI公司的在線電源設(shè)計(jì)工具，擁有龐大的二極管數(shù)據(jù)庫，將努力為您的應(yīng)用選擇最佳二極管。

場效應(yīng)管

開關(guān)電源中的“開關(guān)”通常是MOSFET。非常高的電壓和電流設(shè)計(jì)可以使用IGBT型晶體管。

MOSFET 有兩種主要類型：N 溝道和 P 溝道。兩者都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

N 溝道增強(qiáng)模式器件需要正柵源電壓才能導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻低于 P 溝道（相同尺寸），并且成本更低。

P溝道器件需要負(fù)柵源電壓才能導(dǎo)通，導(dǎo)通電阻較高，價(jià)格稍貴。

由于正柵源電壓要求，N溝道器件往往更難驅(qū)動(dòng)，因?yàn)闁艠O可能需要驅(qū)動(dòng)到系統(tǒng)中主電源上方。這通常由簡單的自舉電路處理，但這會(huì)增加系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。最新的IC穩(wěn)壓器包括自舉二極管，以降低成本和元件數(shù)量。

另一方面，P溝道器件更容易驅(qū)動(dòng)，并且不需要額外的電路。使用 P 溝道 MOSFET 的結(jié)果是成本更高/導(dǎo)通電阻更高。

在選擇MOSFET時(shí)，必須了解一些關(guān)鍵性能參數(shù)。沒有特別的順序：Rds，Vds，Vgs，Cdss，Cgs，Cgd和Pmax。

Rds 是柵極被驅(qū)動(dòng)時(shí)器件的導(dǎo)通電阻。在 SMPS 中，打開的 Rds 越低越好。這減少了 I2× R器件內(nèi)部的功耗并提高效率。MOSFET的一個(gè)良好特性是Rds具有正溫度系數(shù)。這使得MOSFET成為并聯(lián)的完美候選者，因?yàn)樗鼈冊诓⒙?lián)時(shí)往往平均共享電流。

Vds 表示 MOSFET 的擊穿電壓。選擇大于系統(tǒng)中電壓的額定電壓。更高的電壓通常意味著更高的成本，因此不要使用高于所需電壓的額定電壓。

Vgs是柵極-源極閾值電壓。這是打開設(shè)備所需的電壓。

MOSFET 器件的額定最大電流和最大功率耗散。必須遵守這些評(píng)級(jí)。內(nèi)部功耗主要來自兩個(gè)來源：I2× Rds和開關(guān)損耗。

當(dāng)MOSFET（開關(guān)）導(dǎo)通時(shí)，唯一的功耗來自I2× RDS 損失。當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，設(shè)備不耗電。但是，在轉(zhuǎn)換期間，器件會(huì)耗散功率。轉(zhuǎn)換期間的耗散稱為開關(guān)損耗。

圖10顯示了開關(guān)損耗是如何表現(xiàn)的。它主要是由柵極上的電容引起的，包括柵極到源極和柵極到漏極電容。必須對(duì)它們進(jìn)行充電和放電才能打開和關(guān)閉 MOSFET。您會(huì)在圖10中注意到電壓和電流的波形。在導(dǎo)通期間，有一段時(shí)間，器件兩端有電壓，電流流過器件。這將導(dǎo)致器件內(nèi)的V×I耗散。頻率越高，開關(guān)損耗越大。這是SMPS設(shè)計(jì)中的眾多權(quán)衡之一。更低的頻率意味著更大的電感器和電容器以及更高的效率。更高的頻率意味著更小的電感和更小的電容，但更多的損耗。

圖10.

總結(jié)

在設(shè)計(jì)SMPS時(shí)，通常支持組件的組成部分在控制器或穩(wěn)壓器IC的選擇中處于次要地位。但有源和無源元件的選擇將對(duì)整體電源性能產(chǎn)生巨大影響。效率、產(chǎn)生的熱量、物理尺寸、輸出功率和成本都將以某種方式取決于所選的外部組件。為了做出最佳選擇，需要仔細(xì)分析所需的性能。使用ADI公司的ADIsimPower等集成設(shè)計(jì)工具將簡化這一過程。ADIsimPower允許用戶輸入設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，包括確定電路板空間、價(jià)格、效率或成本的優(yōu)先級(jí)。然后，它將執(zhí)行分析設(shè)計(jì)所需的所有計(jì)算，并提出符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的組件建議。ADIsimPower擁有來自各種制造商的大型元件數(shù)據(jù)庫。在某些情況下，該工具中包含未發(fā)布的制造商數(shù)據(jù)，以提供最準(zhǔn)確的建議。

審核編輯：郭婷