為正確的工作選擇合適的穩(wěn)壓器：組件選擇

介紹

本應用筆記是關(guān)于功率穩(wěn)壓器的三部分系列文章的第3部分。在本部分中，我們將介紹一些穩(wěn)壓器示例，從元件選擇到實際設計，并提供基本方程式，以幫助設計人員為應用選擇最佳穩(wěn)壓器并優(yōu)化周圍元件。

在為工作選擇合適的穩(wěn)壓器：第1部分中，我們討論了脈寬調(diào)制（PWM）轉(zhuǎn)換器的兩種穩(wěn)壓器控制方案，即電流模式（CM）和電壓模式（VM）。我們還研究了這些控制模式之間的關(guān)鍵差異。在該應用說明中，我們解釋了產(chǎn)品應用對于選擇合適的穩(wěn)壓器非常重要。

在為工作選擇合適的穩(wěn)壓器：第2部分中，我們研究了其他常用的穩(wěn)壓器控制拓撲，并描述了每種拓撲的應用優(yōu)勢。除了 VM 和 CM PWM 控制外，現(xiàn)代穩(wěn)壓器還集成了其他主要控制方案：脈沖頻率調(diào)制 （PFM）、遲滯和恒定導通時間拓撲 （COT）。在查看了每種方法之后，我們添加了有關(guān)輔助控制方法的簡短討論，例如跳過模式。

設計 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的基本公式

在深入探討器件選擇和仿真設計示例之前，了解用于選擇開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器電感器和電容的一些基本公式非常重要。

電感器選擇

開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感選擇公式由電感的基本公式推導出來：

DI/DT = ΔV/L

因此：

L = ΔV DT/DI

其中：

di是峰峰值電感紋波電流，定義為LIR ×I外.LIR 的典型值為 0.3。

dt =VOUT/VIN × 1/fSW，其中 f西 南部是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，

ΔV 是電感兩端的電壓，定義為 VIN（MAX） - VOUT。

綜上所述，我們得出：

L = VOUT × (VIN(MAX) –VOUT)/VIN(MAX) × fSW × IOUT(MAX) × LIR

舉個實際例子怎么樣？假設設計人員需要設計具有以下要求的 DC-DC 穩(wěn)壓器：

IOUT = 2.7A, VIN(MAX) = 12V, and VOUT = 5V.

對于此示例，我們選擇 30% 的 LIR 值。入手：

最小值 = 5V × （12V - 5V）/12V × 600kHz × 2.7A × 0.3 = 6μH

對于此設計，最常見的標準值為5.6μH或6.8μH。當電感值為6.8μH時，標稱峰峰值電流為0.72A。因此，電感中的峰值電流將為2.7A + 0.5×0.72A = 3.06A。選擇電感時，飽和額定值非常重要。我坐（A）額定值必須大于降壓轉(zhuǎn)換器的最大電流限值。MAX17504為3.5A穩(wěn)壓器，可考慮用于本設計。根據(jù)其數(shù)據(jù)手冊，最大電流限值為5.85A，因此電感I坐（一）額定值必須大于5.85A。

電感選擇的另一個重要參數(shù)是直流串聯(lián)電阻（DCR）。設計人員始終面臨著電感尺寸與效率的權(quán)衡，因為DCR是功率損耗的來源。另一個要考慮的功率損耗是磁芯損耗。兩個電感電流額定值是連續(xù)的（I有效值）和峰值（I坐IRMS通常指定為產(chǎn)生40°C電感溫升的直流電流。 我坐（A）是產(chǎn)生特定電感滾降的峰值電流，指定為與開路值相比減少的百分比;它可以從 5% 到 50% 不等。參考部分的一篇好文章，標題為“輕松估算電源設計中的電感損耗”。1為了解電感中的功率損耗提供了很好的參考。有許多免費的在線電感器設計工具非常有用。一個漂亮的電感選擇在線工具來自 Vishay，可在他們的網(wǎng)站上找到。2該工具將計算電感中的所有功率損耗。圖 1 是該工具的結(jié)果，基于上述示例。線藝3,4還有一些有用的在線工具，可幫助用戶選擇電感值并計算功率損耗。

圖1.Vishay 電感器計算顯示結(jié)果。圖片由 Vishay Intertechnology， Inc. 許可提供。

電容器選擇

我們首先簡要討論三種類型的陶瓷電容器，I類，II類和III類，其中I類還包括常見的CGO（NPO）類型。最常見的類型是 X5R、X7R 和 Y5V。在為開關(guān)穩(wěn)壓器指定陶瓷電容器時，了解這些類型之間的區(qū)別非常重要。電容隨溫度的變化是一個非常重要的特性，應該加以考慮。表1是根據(jù)陶瓷電容器供應商網(wǎng)站的數(shù)據(jù)匯總的。該表清楚地顯示了電容隨溫度的變化。

更復雜的是，實際電容值會隨著施加的直流偏置而變化。圖 2 是教程 5527 中的繪圖5關(guān)于選擇陶瓷電容器。它說明了我們的觀點。我強烈建議讀者花時間查閱這個包含良好應用數(shù)據(jù)和良好常識設計示例的實用教程！

圖2.溫度變化與部分 4.7μF 電容器的直流電壓的關(guān)系。

選擇輸入和輸出電容器的實用指南

輸入電容選擇

為什么需要輸入電容器？輸入濾波電容可降低從電源汲取的峰值電流;它降低了由電路開關(guān)引起的輸入端噪聲和電壓紋波。輸入電容的均方根電流要求 （IRMS) 由以下等式定義。

IRMS= IOUT(MAX) × SQRT [VOUT × (VIN - VOUT)/VIN]

其中，IOUT(MAX)是最大負載電流。我有效值當輸入電壓等于輸出電壓的兩倍時具有最大值。在不進行長推導的情況下，我們可以使用電容器的基本方程C = I dv/dt，并導出：

CIN= IOUT(MAX) × D × (1 - D)/n × FSW × ΔVIN

其中：

D 是占空比 = VOUT/VIN

n 是估計的轉(zhuǎn)換器效率

FSW是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率

ΔVIN 表示允許的輸入電壓紋波。

應該注意的是，輸入電壓紋波在50%占空比下達到單相轉(zhuǎn)換器的最大值。

輸出電容器選擇

開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電容是整體輸出性能的關(guān)鍵部分。電感和輸出電容構(gòu)成一個低通濾波器。此外，輸出電容的值會極大地影響轉(zhuǎn)換器的輸出瞬態(tài)響應和環(huán)路帶寬。

確定輸出電容值的第一步是確定負載的性質(zhì)。這也與電感的選擇有關(guān)?；旧希姼须娏鞯淖兓x為di/dt = ΔV/L。因此，例如，當使用12μH電感的5V輸入和1V輸出時，100%占空比下的最大電流變化率為7A/μs，如圖3所示。這是什么意思？基本上，如果負載階躍壓擺率大于7A/μs，則需要更多的輸出電容來為瞬態(tài)負載階躍提供必要的響應。所需的另一個關(guān)鍵信息是允許的最大輸出電壓變化。使用上面相同的示例，我們可以更進一步。

圖3.電感壓擺率示意圖

根據(jù)以下要求計算最大允許輸出阻抗：

VIN = 12V, VOUT = 5V

輸出電流步長 0.5A 至 2.5A （ΔI = 2A）

最大輸出電壓偏差 = 50mV

20A/μs 壓擺率

所需電容阻抗 = 50mV/2A = 25mΩ。這意味著輸出電容的ESR必須為25mΩ或更小。

使用MAX17504數(shù)據(jù)資料中的COUT公式，可以看到：

COUT= 0.5 ×I 階躍×響應/ΔV外

其中，響應≈ （0.33/FC + 1/f西 南部);FC是目標閉環(huán)交越頻率。

需要注意的是，大多數(shù)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊都提供了幫助設計人員計算和選擇輸入和輸出電容所需的所有公式。

零件選擇和仿真設計

假設X公司正在設計一個具有非常寬工作頻率范圍的高性能RF前端。輸入電壓在 20V 至 35V 范圍內(nèi)變化，電路需要 3.3V/2A，5V/2.5A。RF信號鏈具有非常靈敏的低噪聲電路，設計人員希望通過向兩個穩(wěn)壓器施加一個外部時鐘來控制電源開關(guān)諧波的位置。這樣，開關(guān)頻率是相同的，并且彼此同相。拍頻可由不同步到同一時鐘的轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生。拍頻和轉(zhuǎn)換器開關(guān)諧波可能落在設備的工作范圍內(nèi)，很難消除。

第 1 步：搜索穩(wěn)壓器

使用供應商網(wǎng)站上的參數(shù)搜索工具縮小調(diào)壓閥選擇范圍（圖 4）。

圖4.使用供應商的參數(shù)搜索表開始調(diào)節(jié)器搜索。這是Maxim Integrated網(wǎng)站上的搜索示例。

使用以下參數(shù)：

VINMAX to > 38V

IOUT > 2.5A

Synchronous switching = yes

現(xiàn)在將類型框切換到內(nèi)部，然后選中外部同步框。找到兩個合適的零件。本設計選用MAX17503。注意，MAX17504也可以以犧牲具有更高電流飽和額定值的電感為代價。查看兩份數(shù)據(jù)資料，MAX17504的峰值開關(guān)電流限值典型值為5.1A，而MAX3的峰值開關(guān)電流限值典型值為5.17503A。通常，電感的飽和額定值必須高于開關(guān)電流限值。因此，對于本例，MAX17503可以允許使用更小尺寸的電感。在參數(shù)搜索工具上通常找不到內(nèi)部開關(guān)電流限值，因此必須檢查數(shù)據(jù)手冊以確定該值。

步驟 2：模擬設計

根據(jù)應用要求仔細考慮后，選擇合適的轉(zhuǎn)換器。下一步是選擇周圍的元件，如功率電感器、輸入和輸出電容以及用于設置補償網(wǎng)絡的輸出電壓和元件值的反饋電阻。方便的 EE-Sim 設計工具（圖 5）?6是一款免費的電源設計輔助工具，可為新手和經(jīng)驗豐富的電源工程師提供設計和優(yōu)化穩(wěn)壓器瞬態(tài)響應和環(huán)路穩(wěn)定性的便捷方法。

圖5.輸入設計要求參數(shù)。

單擊 EE-Sim 仿真工具并輸入應用程序參數(shù)。然后單擊“創(chuàng)建設計”框，該框?qū)⑻峁┤缦滤镜碾娐穲D（圖6），其中自動選擇電感、電容和電阻值。需要注意的是，在選擇輸入/輸出電容值時，請仔細查看 V偏見-與電容的關(guān)系曲線，因為實際電容可能會根據(jù)施加的電壓而降低。電容值可以在EE-Sim中手動更改，以反映實際電容。本教程 5527 中廣泛介紹了本主題。5

圖6.解決方案原理圖。

通過單擊“分析”框，EE-Sim 提供了執(zhí)行穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)或交流分析的選項。仿真的一個良好開端是單擊“AC 分析”按鈕，然后單擊“運行分析”框（圖 7）以檢查穩(wěn)定性。經(jīng)驗法則是在單位增益處至少有45度的相位裕量。

圖7.配置分析類型。

下面的波特圖（圖8）顯示，在交越頻率為66.59kHz時，單位增益下的相位裕量為52.2度。

圖8.用于測量環(huán)路穩(wěn)定性的波特圖。

接下來，我們可以查看時域，看看輸出如何響應負載電流的變化。單擊瞬態(tài)分析按鈕。然后，您可以選擇電壓和電流波形，并使用侯爵變焦來測量輸出電壓偏差（圖 9）。在本例中，對于1.25A負載階躍，輸出降至4.85V，當釋放負載階躍時，電壓跳升至5.135V峰值。

圖9.瞬態(tài)響應仿真。

最后，應該注意的是，還有許多其他波形可供從仿真中查看。只需在右側(cè)的輸出框中選擇各種信號即可。

總結(jié)

希望本應用筆記能為參與選擇DC-DC穩(wěn)壓器的工程師提供一個有用的入門演示。

在這個由三部分組成的應用筆記系列的第1部分中，我們首先對電壓模式（VM）和電流模式（CM）轉(zhuǎn)換器有良好的基礎(chǔ)和基本了解。了解差異很重要，這將有助于工程師在許多供應商提供如此多的選擇時做出正確的選擇。在這兩種類型的轉(zhuǎn)換器之間，性能和成本的權(quán)衡得到了很好的解釋。在第2部分中，在寬輸出負載范圍內(nèi)提高效率的拓撲結(jié)構(gòu)以及解釋各種形式的脈沖頻率調(diào)制（PFM）對工程師提供了進一步的幫助。在便攜式設備中，這些拓撲被廣泛使用，因此充分了解其操作并權(quán)衡是關(guān)鍵。

由于電源管理是一個廣泛的主題，因此已經(jīng)撰寫了數(shù)千篇論文來研究各種細節(jié)級別。有關(guān)正確選擇電感器、輸入電容器和其他元件的其他建議，請參見各種應用筆記和產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊。以下參考資料對那些希望擴展電源設計知識的人很有用。

審核編輯：郭婷