如何為便攜式系統(tǒng)選擇電容和電感元件

因此,請記住應(yīng)該向廠商索取在應(yīng)用的預(yù)定直流偏置電壓下的電容值曲線。例如,采用2.5V輸出電壓時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須查看2.5V時(shí)的直流偏置。使開關(guān)穩(wěn)定性最好的最小電容值可在開關(guān)的規(guī)格說明書中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單(BOM)的電容雙重來源時(shí),廠商間的差異也必須考慮到。

上述決策不應(yīng)該留給采購人員,除非他們能給出很好的建議。電容器生產(chǎn)商往往喜歡出示單獨(dú)的曲線,如電容量隨溫度的變化曲線,另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過,他們不會同時(shí)給出兩條,但實(shí)際應(yīng)用恰恰需要兩條。應(yīng)該記住向生產(chǎn)廠商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線。

例如,基帶內(nèi)核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤驅(qū)動(dòng)器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器電源的輸出電壓范圍為0.8 到3.4V。

選擇輸入電容時(shí),必須考慮到輸入電壓范圍。對鋰離子電池而言,這個(gè)范圍為3 到 4.3V,當(dāng)插入充電器時(shí),可高達(dá)5.5V。

從系統(tǒng)的角度來看,阻抗/ESR與頻率的關(guān)系曲線也很重要。用于2MHz開關(guān)的電容可能并不適合于5MHz開關(guān)。開關(guān)設(shè)計(jì)中,電容的諧振頻率是一關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率接近輸出電容的諧振頻率時(shí),輸出電壓紋波最小。

例如,4.7μF和10μF 0603電容的諧振頻率范圍都為2 到 3MHz。但1μF 0603電容的諧振頻率在6MHz左右,1μF 0402電容的近10MHz。工作頻率高于諧振頻率時(shí),阻抗實(shí)際上是電感性的。如果沒有正確的補(bǔ)償,將產(chǎn)生穩(wěn)定性問題,且開關(guān)的紋波增加。最后但并非不重要的是,陶瓷電容的生產(chǎn)容限是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規(guī)定/測試的,但實(shí)際應(yīng)用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下,電容額定值要小得多。對一個(gè)典型的開關(guān),紋波電壓范圍為5到30mV。

設(shè)計(jì)人員在考慮無源器件時(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,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。

選擇電感

為便攜式電源應(yīng)用選擇電感,需要考慮的最重要的三點(diǎn)是：尺寸大小、尺寸大小,第三還是尺寸大小。移動(dòng)電話的電路板面積十分緊俏珍貴,隨著MP3 播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話中時(shí),尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此,以前一直由線性調(diào)節(jié)器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實(shí)現(xiàn)更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器。正如其名稱所暗示的,這時(shí)需要一個(gè)電感。

電感的主要規(guī)格除尺寸大小外,還有開關(guān)頻率下的電感值、線圈的直流阻抗(DCR)、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據(jù)應(yīng)用的不同,電感類型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。

類似于電容中的直流偏置,廠商A的2.2μH電感可能與廠商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內(nèi)電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線,必需向廠商索取。在這條曲線上可以查到額定飽和電流(ISAT)。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時(shí)的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒有規(guī)定ISAT。他們可能之給出了溫度高于環(huán)境溫度40 ?C時(shí)的直流電流。

DCR引起傳導(dǎo)損耗,在輸出電流較高時(shí)影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加,在輸出電流較小時(shí)影響占主導(dǎo)地位的開關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下,低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其它規(guī)格時(shí),為什么系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮ESR和Q因子呢？

當(dāng)開關(guān)頻率超過2MHz時(shí),必需格外關(guān)注電感的交流損耗。規(guī)格說明書中列出比較的不同廠商的電感的ISAT和DCR在開關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗,導(dǎo)致輕負(fù)載下顯著的效率差異。這一點(diǎn)對提高便攜式電源系統(tǒng)中電池的壽命至為重要,因?yàn)橄到y(tǒng)大部分的時(shí)間是處于睡眠、待機(jī)或低功率模式下的。

由于電感生產(chǎn)廠商很少提供ESR和Q因子信息,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該主動(dòng)向他們索取。廠商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25 ?C,故應(yīng)該索取工作溫度范圍內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最壞情況一般是85 ?C。

圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關(guān)系。考慮一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的例子,其規(guī)格參數(shù)如下：FSW=2MHz,VIN=5.5V,L=2.2 μH,VOUT=1.5V,I=0 到600MA,ΔI=289MA (計(jì)算值)。

參見圖3,2.2μH額定電感在低頻下的DCR為0.2Ω,2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計(jì)算：

DC損耗=I2×DCR

AC損耗=(dΔI2)/12×ESR