從思考步驟、計算公式、實例上為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇電感和電容

在DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計上，電感和電容器的選擇特別重要，必須充分理解電路工作、電流路徑、各器件擔(dān)負什么工作或任務(wù)，才能選擇合適的電感和電容。本文從思考步驟、計算公式、實例上給出了如何為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇合適的電感和電容。

電感的選擇

在設(shè)計降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器時，電感的選擇很重要。性能或特性視其選擇而有極大的影響。電感的選擇步驟或電感值等的計算方法基本上標示于利用電源IC的技術(shù)規(guī)格。

電感的選定步驟

首先，介紹電感選定的步驟。

1）計算必要的電感值L

2）計算流向電感的最大電流（輸出電流＋1/2紋波電流）

3）根據(jù)已計算的L值（或近似）選擇已計算電感飽和電流的最大電流以上的電感

（注意：在短路或瞬態(tài)狀態(tài)下計算出可能會流出的最大值以上的電流，因此有以最大開關(guān)電流為基礎(chǔ)來選擇的方法）

基本上根據(jù)計算并考慮余量后做決定。余量的求取法基于公司的設(shè)計規(guī)則或經(jīng)驗法則。

1）電感值的計算首先，根據(jù)以下公式計算電感值。

2）電感最大電流的計算接著，根據(jù)以下公式計算電感的最大電流。

從公式和電流波形可知，ILPEAK值為ΔIL的1/2加IOUT的值。

根據(jù)已計算的電感值和電感的最大電流選擇近似的電感值且飽和電流在最大電流以上的電感。以下為選擇例。

電感的選定實例

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

根據(jù)上述結(jié)果，飽和電流2.3A以上的10μH電感成為出發(fā)點。之所以稱為出發(fā)點，是因為此計算非絕對性，在考慮短路或瞬態(tài)狀態(tài)的情況等有可能必須變更。

使電感值變化的電感電流

在這里，為加深對電感工作的理解，進一步說明電感值變化時電感電流如何變化的情形。下圖表示在相同工作條件下將電感值設(shè)為0.4μH、1μH、2.2μH時ILPEAK。

從公式也可得知，當(dāng)電感值L變小時，ILPEAK會増加，可以獲得許多直流疊加電流。不過，通過ILPEAK増加，有必要容許更多的直流疊加電流。而電感值變大時則相反，必須探討相位補償?shù)南嚓P(guān)事宜。

電容的選擇

降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器所必須的電容器有輸出電容器和輸入電容器。先來看一下輸入電容器和輸出電容器的作用。

首先，為了理解輸入電容器和輸出電容器的作用，先來重溫一下降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流的流向。通過理解流向各種電容器的不同電流性質(zhì)，可以清楚明白應(yīng)選擇哪種電容器。

圖中上方ICO為輸出電容器、下方的ICIN為輸入電容器的電流波形。輸入電容器可從VIN充電，當(dāng)晶體管Q1為ON時會放出開關(guān)電流IDD。比較大的電流會急劇反復(fù)流動。輸出電容器以輸出電壓為中心反復(fù)與輸出紋波電壓連動進行充放電工作。

輸出電容器的選定

輸出電容器的選定的重要因素有以下3個。

1）額定電壓

2）額定紋波電流

3）ESR（等效串聯(lián)電阻）

當(dāng)然，電容器可施加的電壓及紋波電流必須在電容器的最大額定以下。此外，ESR與電感電流相關(guān)，且是決定輸出紋波電壓的重要因素，因此必須充分探討。

輸出電容器的紋波電流如上圖的ICO所示是三角波，而其實效值則用下面公式表示。

輸出紋波電壓是通過上圖的電感電流IL紋波ΔIL和輸出電容器的容值、ESR、ESL所產(chǎn)生的電壓合成波形，用下面公式表示。

如果以波形表示，則為以下圖像。

通過開關(guān)所產(chǎn)生的電感電流紋波ΔIL將產(chǎn)生與ESR成單純正比的紋波電壓，有些ESL則會產(chǎn)生方形波電壓，與電容值部分合成，最下方波形成為最終的輸出紋波電壓波形。

以下是表示輸出紋波電壓的公式。電容器的紋波電壓和ESR的紋波由于相位偏離，故無法進行單純的加算，不過卻是紋波電壓的最差值概算常用的公式。

由此公式可知，輸出紋波電壓如果要變小的話，須降低ESR，增加輸出電容器，提高開關(guān)頻率，使IL在必要最低限。

近年來，輸出電容器中使用疊層陶瓷電容器的例子似乎正逐漸增加。陶瓷電容器由于ESR和ESL非常小，可觀察的紋波電壓幾乎都源自電容值。

小結(jié)一下，在輸出電容器的選定上，額定電壓、額定紋波電流、ESR都是重要因素。除了平滑化、穩(wěn)定化之外，當(dāng)然也與輸出紋波電壓有密切的關(guān)系。

輸入電容的選擇

前面已經(jīng)說明輸出電容器作用和選擇的要點。接下來則進入輸入電容器的說明。

輸入電容器的選定的重要因素也有以下3個。

1）額定電壓

2）額定紋波電流及紋波發(fā)熱特性

3）使用陶瓷電容器時：溫度特性和DC偏置特性

此外，選擇前請注意以下幾點：

?額定電壓必須比最大輸入電壓高。

?額定紋波電流必須比IC輸入所發(fā)生的最大輸入紋波電流大。

?降壓轉(zhuǎn)換器中，瞬間輸入電流的最大值與輸出電流相同。

流向輸入電容器的紋波電流實效值ICIN用下列公式表示。

以此結(jié)果為主，并且根據(jù)電容器紋波電流絕對最大額定和紋波發(fā)熱特性的圖表來選擇可對應(yīng)電容器。

輸入紋波電壓ΔVIN用以下公式計算。

由此公式可知，如果輸入電容器變大時，輸入紋波電壓會變小。

可以選擇陶瓷電容器作為輸入電容器。使用陶瓷電容器時，一般必須注意溫度變化和DC偏置導(dǎo)致的電容器變化。

關(guān)于溫度特性，如果為CLASS2（高介電常數(shù)型）型的EAI符號X5R（-55～+85℃、電容值變化率 ±15%）或X7R （-55～+125℃、電容值變化率 ±15%）的話，可充分獲得穩(wěn)定的溫度特性。

關(guān)于DC偏置，當(dāng)然須選擇影響少的，不過即使電容值、耐壓相同，變動特性也會因封裝尺寸而異。下方圖表為其一例，顯示尺寸大者變動少?？傊?，請務(wù)必從電容器廠商取得充分的信息。

基本上，必須根據(jù)這些信息選擇輸入電容器，不過試作評估時也有必要確認摻入紋波的輸入電壓沒有超過耐壓、沒有因紋波電流而產(chǎn)生無法承受的發(fā)熱等。

小結(jié)一下，在選擇輸入電容器時，重點考慮的是額定電壓、額定紋波電流、紋波發(fā)熱特性、尤其是陶瓷電容器時溫度特性和DC偏置特性。