如何為便攜式系統(tǒng)選擇電容和電感元件

設(shè)計(jì)人員在考慮無(wú)源器件時(shí),他們想到的是電感電容的生產(chǎn)容限,一般為± 20% 或±10%。這在理論上是對(duì)的,但在實(shí)際應(yīng)用中卻不然。本文介紹電容電感易受影響的一些參數(shù)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須了解的知識(shí),并討論如何為最小但最高效的便攜式電源系統(tǒng)解決方案選擇外部元件。

設(shè)計(jì)人員在考慮無(wú)源器件時(shí),他們想到的是電感電容的生產(chǎn)容限,一般為± 20% 或±10%。這在理論上是對(duì)的,但在實(shí)際應(yīng)用中卻不然。某一特定頻率下,在一個(gè)陶瓷電容上加直流偏置電壓或在電感上加載電流會(huì)改變這些元件的特性,故有“有源的無(wú)源器件(active passives)”之稱。
例如,一個(gè)10μF,0603,6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時(shí)測(cè)量值為4μF。一個(gè)3.3 μH的電感用在85°C的實(shí)際應(yīng)用中時(shí)測(cè)量值為0.8 μH。

此外,元件生產(chǎn)商也越來(lái)越積極進(jìn)取,有可能不斷推出一些相當(dāng)好的部件,以在尺寸價(jià)值比之大戰(zhàn)中保持充足的競(jìng)爭(zhēng)力。這類似于各種實(shí)際情況。比如,一部EPA(美國(guó)國(guó)家環(huán)保署)測(cè)試額定30Mpg(每加侖行駛英哩數(shù))的汽車,實(shí)際駕駛中可能只有20mpg。這就意味著車主必需比預(yù)期的更頻繁地去加油站。

這個(gè)例子可以延伸到便攜式電源系統(tǒng)。系統(tǒng)中各個(gè)模塊使用的每一個(gè)元件都對(duì)系統(tǒng)性能有著直接的影響。便攜式電源系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括電池壽命、解決方案的尺寸大小、系統(tǒng)資源易使用性等。例如,在便攜式電源系統(tǒng)中,過(guò)于頻繁的設(shè)備充電將使所謂的“便攜式”失去意義。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在這些關(guān)鍵性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面已邁出了第一步,即選擇開關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)為不同的系統(tǒng)模塊供電。下一步是確保選定的開關(guān)調(diào)節(jié)器工作在最大效率之下。開關(guān)調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵性能指標(biāo)有效率、精度和輸出電壓容限(包括瞬態(tài)響應(yīng)、電壓紋波、解決方案尺寸大小等)。為了滿足這些性能指標(biāo),開關(guān)IC必須與外部元件協(xié)調(diào)工作。

開關(guān)調(diào)節(jié)器的外部元件一般包括一個(gè)電感、一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容。正如任何游戲的成功依賴于團(tuán)隊(duì)的齊心協(xié)作,外部元件和開關(guān)也必須互相配合、協(xié)調(diào)工作以滿足直流-直流轉(zhuǎn)換器解決方案預(yù)期的性能指標(biāo)。

在設(shè)計(jì)開關(guān)調(diào)節(jié)器時(shí),對(duì)電感值及輸入輸出電容值的一系列補(bǔ)償進(jìn)行了優(yōu)化。該部件的輸出電流能力也取決于諸多因素,其中之一是電感值。

本文介紹了電容電感易到影響的一些參數(shù),論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須了解的知識(shí),并闡釋了何時(shí)需要為便攜式電源系統(tǒng)的最小但最高效的解決方案選擇外部元件。

選擇電容

先讓我們看看陶瓷電容。這種電容由于尺寸、成本和性能方面的優(yōu)勢(shì)成為便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的理想選擇,也因開關(guān)頻率下的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效阻抗很低而非常適合于高頻應(yīng)用。低ESR使輸出電壓紋波被減至最小,低阻抗產(chǎn)生出色的濾波特性。而Y5V類電介質(zhì)電容的溫度系數(shù)很差,85時(shí)可能下降80%,一般不建議用于便攜式應(yīng)用,故本節(jié)重點(diǎn)討論X5R/X7R電容。

圖1顯示了10μF,6.3V,X5R陶瓷電容外殼尺寸的變化歷史。外殼尺寸較小的主要好處在于節(jié)省開關(guān)的占位面積,降低總體解決方案的高度。目前,主流移動(dòng)電話生產(chǎn)商在電話中使用的元件之高度最大限值為1.2mm。隨著電話模型越來(lái)越纖巧,這個(gè)限值將進(jìn)一步減小?，F(xiàn)在的陶瓷電容已能夠很好地滿足這些要求。

那么,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還需要了解除陶瓷電容之外的東西嗎？絕對(duì)需要！例如,在選擇陶瓷電容的電容值及其外殼尺寸之余,必須考慮到它的直流偏置效應(yīng)。電容選擇不正確可能對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)重破壞。直流偏置效應(yīng)通常出現(xiàn)在鐵電電介質(zhì)(2類)電容中,如X5R、X7R、及Y5V類電容。

陶瓷電容的基本計(jì)算公式如下：

C=K×[(S×n)/t]

這里,C=電容量,K=介電常數(shù),n=介電層層數(shù),S=電極面積,t=介電層厚度

影響直流偏置的因子有K、介電層厚度、額定電壓的比例因子,以及材料的晶粒度。電容上的電場(chǎng)使內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“極化”,引起K常數(shù)的暫時(shí)改變,不幸的是,是變小。電容的外殼尺寸越小,由直流偏置引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定,則直流偏置電壓越大,電容量降量百分比也越大。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員為節(jié)省空間用0603電容代替0805電容時(shí),必須相當(dāng)謹(jǐn)慎――除非用預(yù)定類型的電容對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測(cè)試。規(guī)格說(shuō)明書中推薦的是0603電容。

圖2所示為在某典型便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的使用環(huán)境溫度范圍內(nèi),直流偏置對(duì)幾種不同電容的影響。查看圖中的直流偏置特性,可看到,廠商A生產(chǎn)的10μF,6.3V 0603電容在1.8V 直流偏置及-30°C下的電容量值為5.75μF。需注意電容器和電容量之間的區(qū)別。電容量是從應(yīng)用的角度看到的電容的實(shí)際值。廠商C生產(chǎn)的相同電容器在同樣條件下的電容量值為3.5μF。事實(shí)上,廠商A的4.7μF電容差不多與廠商C的10μF電容一樣好。