電感選擇對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的折衷

圖5和圖6給出了圖1所示電路在從2A至5A再返回至2A的負(fù)載階躍時(shí)FDV0620-0.47uH和FDV0620-1uH電感的負(fù)載暫態(tài)響應(yīng)，在圖6中，外部補(bǔ)償經(jīng)過(guò)調(diào)整以配合1uH電感值。參考圖1，改變了以下三個(gè)元件來(lái)達(dá)到該目的：C10 = 1000pF，R4 = 5900，R6 = 316。請(qǐng)注意圖5中的輸出電壓過(guò)沖要低于圖6。對(duì)于具有相同電感量的DV0620和FDV0630系列，測(cè)量到的響應(yīng)相同。

工作原理

在描述了電感選擇的測(cè)量結(jié)果之后，我們現(xiàn)在概括其工作原理。下面的等式忽略真實(shí)電感的寄生特性，但是它仍可為電感的工作原理提供良好的理解。

高邊MOSFET在電感充電期間(tON)導(dǎo)通，將電感連接至輸入電源電壓。在確定電感值以后，可以用tON = T替換dt，用(VIN- VOUT)替換V，然后計(jì)算I (即di)。表2給出了圖1所示電路中(I與本文所討論的電感之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。圖1中電路滿足表2參數(shù)的條件是VIN = 3.3V，VOUT = 1.8V，(T = D x T，其中D為占空比(VOUT/VIN)，T為開(kāi)關(guān)周期(1/fS)。

表2. 給定電感值與電感電流變化

di/dt (I/T)的中值等于IOUT，因此峰值電流等于IOUT加I/2?？梢钥吹皆谪?fù)載電流相同時(shí)較小的電感將導(dǎo)致較大的峰值電流。

直流電阻(DCR)

IC和電感的功率損耗可以從效率曲線得到。對(duì)于圖2中的FDV0620-0.47uH，輸出電流取1A時(shí)效率為92.5%。輸出功率為1A乘以1.8V即1.8W，因此輸入功率為1.8/0.925 = 1.946W。總損耗為PIN - POUT = 0.146W。主要的功率損耗來(lái)自電感直流電阻、MOSFET RDS(ON) (導(dǎo)通電阻)以及開(kāi)關(guān)損耗。IOUT2 x DCR等于電感的功率損耗。

FDV0620-0.47uH在1A輸出電流時(shí)的DCR損耗為8.3mW (見(jiàn)表3)，占總損耗的5.7%。在IOUT = 4A，PIN = 8.1W，POUT = 7.2W (效率 = POUT/PIN = 88.9%)時(shí)，總損耗為PIN - POUT = 0.9W;FDV0620-0.47uH在4A時(shí)DCR損耗為132.8mW，占總損耗的14.7%。IOUT2的結(jié)果是在較大輸出電流時(shí)DCR損耗更大。

表3. DCR引起的功率損耗

導(dǎo)通損耗是電感電流或IOUT、占空比(D)和RDS(ON)的函數(shù)：

PCONDM = ILX2 x RDS(ON) x D高邊導(dǎo)通損耗為：

1A輸出電流時(shí)，PCOND = 12 x 0.022 x 1.8V/3.3V = 12mW。

4A輸出電流時(shí)，PCOND = 42 x 0.033 x 1.8V/3.3V = 288mW。

低邊導(dǎo)通損耗為：

1A輸出電流時(shí)，PCOND = 12 x 0.022 x (1-1.8V/3.3V) = 10mW。

4A輸出電流時(shí)，PCOND = 42 x 0.033 x (1-1.8V/3.3V) = 240mW。

1A時(shí)RDS(ON)取室溫時(shí)測(cè)量的典型值，但是大電流時(shí)MOSFET工作在較高的溫度。RDS(ON)可以進(jìn)行調(diào)整以適應(yīng)較高的溫度，因此在4A輸出電流時(shí)取33m。

開(kāi)關(guān)損耗

開(kāi)關(guān)損耗發(fā)生在開(kāi)關(guān)打開(kāi)和關(guān)閉的過(guò)程中，由MOSFET柵極電容充放電電流引起。在開(kāi)關(guān)打開(kāi)的瞬間，開(kāi)關(guān)兩端的電壓較高，但是在電壓下降前電流持續(xù)上升。下面的等式可以使用逼近法粗略計(jì)算開(kāi)關(guān)的功率損耗：

PSW = uV x IOUT x tSW x fSW其中tSW為開(kāi)通或關(guān)閉時(shí)間，fSW為開(kāi)關(guān)頻率。對(duì)于1A輸出電流，PSW = u x 3.3V x 1A x 5ns x 1MHz = 8.24mW在本例中無(wú)法方便的測(cè)量tSW，因?yàn)镸AX8646的開(kāi)關(guān)內(nèi)置，它們共享公共連接LX(引腳15至引腳16)。在死區(qū)時(shí)間前后，LX端的上升和下降時(shí)間大致各為5ns。

上面的功率損耗計(jì)算同時(shí)適用于開(kāi)通和關(guān)閉。因?yàn)楸纠蠰X端的上升和下降時(shí)間tSW相同，可以將該數(shù)值乘以4。如果MOSFET外置可以進(jìn)行測(cè)量，然后可以單獨(dú)計(jì)算得到更精確的結(jié)果。對(duì)于0.47uH電感，在1A輸出電流時(shí)開(kāi)通和關(guān)閉損耗大概各為32.96mW。

結(jié)論

在為PWM電壓模式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器選擇電感時(shí)的折衷可以方便的進(jìn)行確定。較大的電感提供較低的峰值電流和較低的損耗，可以提高效率。較小的電感通常帶來(lái)較低的效率，但是在負(fù)載變化時(shí)提供更快速的響應(yīng)。另外，類似于電感值，較大的磁芯尺寸可以在電感值相同時(shí)提供更低的DCR，較低的DCR可以獲得更好的動(dòng)態(tài)性能。在任何情況下，在確定最終電路之前都必須經(jīng)過(guò)測(cè)試!