通過周邊器件選擇改善降壓轉(zhuǎn)換器效率

　　降壓轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)廠家通常會(huì)給出一個(gè)典型應(yīng)用電路，幫助工程師快速完成原型設(shè)計(jì)，電路中一般會(huì)給出器件型號(hào)和具體數(shù)值，但不會(huì)詳細(xì)說明器件的選擇。如果某些器件已經(jīng)停產(chǎn)或要尋找更便宜的器件，設(shè)計(jì)人員很難重新選擇等效的替代器件。

　　本文介紹了一種采用連續(xù)電流模式(CCM)、固定頻率的脈寬調(diào)制(PWM)降壓轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。所討論的原理同樣適用于其它轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)，但不能直接套用本文的公式。為了說明降壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)，我們舉例說明元件參數(shù)值的計(jì)算。有四個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)是必需的：輸入電壓范圍、輸出電壓、最大輸出電流和開關(guān)頻率。圖1列出了這些參數(shù)和所需的基本元件。

　　電感的選擇

　　設(shè)計(jì)降壓開關(guān)轉(zhuǎn)換器時(shí)對(duì)電感值的計(jì)算要求很嚴(yán)格，首先假設(shè)轉(zhuǎn)換器工作在CCM模式，CCM意味著關(guān)斷時(shí)間內(nèi)電感不會(huì)完全放電。下列公式假設(shè)使用的是理想開關(guān)(導(dǎo)通電阻為零，關(guān)斷電阻無窮大，零開關(guān)時(shí)間)和理想二極管：

　　fSW為降壓轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，LIR為電感電流比例因子，表示IOUT的百分比(例如300mAp-p的紋波電流與1A輸出電流之比=0.3A/1A = 0.3LIR)。

　　LIR取0.3可以很好地平衡效率和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，增大LIR(允許更大的電感紋波電流)會(huì)加快負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，減小LIR(降低電感紋波電流)會(huì)減慢負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。圖2描述了瞬態(tài)響應(yīng)與電感電流的關(guān)系(給定負(fù)載電流，LIR的取值范圍是0.2~0.5)。

　　電感的峰值電流決定了電感的飽和電流，同時(shí)也決定了電感的尺寸。當(dāng)元器件的溫度升高時(shí)，電感線圈的飽和會(huì)降低轉(zhuǎn)換器的效率?？梢酝ㄟ^下式計(jì)算電感的峰值電流：

　　按照?qǐng)D1所列出的參數(shù)，可以計(jì)算出電感值為2.91uH(LIR = 0.3)。選擇一個(gè)接近計(jì)算值的標(biāo)準(zhǔn)電感，如2.8μH，并確定其飽和電流大于所計(jì)算的峰值電流(IPEAK= 8.09A)，選擇足夠大的飽和電流(10A)有助于補(bǔ)償電路的離散性和元器件數(shù)值的差異?？梢越邮艿脑Ａ渴歉哂谟?jì)算值的20%，這時(shí)電感的最大直流電阻(DCR)是5~8mΩ。為了減小功耗，要選擇盡可能小的DCR。選擇不同供應(yīng)商的電感，要看其最大DCR而不是典型值，最大值能夠保證在最壞工作條件下的器件特性。

　　輸出電容的選擇

　　降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容是為了降低電壓過沖和輸出紋波，輸出電容的容量不足會(huì)產(chǎn)生較大的電壓過沖，較大的電壓紋波是因?yàn)檩敵鲭娙萑萘坎蛔慊蜉^高的等效串聯(lián)電阻(ESR)。電路設(shè)計(jì)中都會(huì)給出電壓過沖和紋波指標(biāo)，為了達(dá)到要求，一定要選擇足夠大的電容容量和較低的ESR。穩(wěn)壓輸出端的負(fù)載從滿負(fù)荷突降為零時(shí)，要求有足夠大的輸出電容，以防止儲(chǔ)能電感對(duì)輸出電壓產(chǎn)生影響，使其高于最大穩(wěn)壓值。輸出電壓過沖可由下式計(jì)算：

　　Co是輸出電容，ΔV是最大輸出電壓過沖。

　　設(shè)置最大輸出電壓過沖為100mV，由上式計(jì)算輸出電容為442uF，加上20%的典型容差，實(shí)際輸出電容為530uF，最接近的標(biāo)準(zhǔn)電容為560uF。單獨(dú)考慮電容引起的輸出紋波時(shí)，紋波輸出電壓為：

　　輸出電容的ESR決定了輸出電壓的紋波，可由下式計(jì)算：

　　注意，如果輸出電容的ESR很低可能會(huì)引起轉(zhuǎn)換器工作不穩(wěn)定。不同器件的工作穩(wěn)定性不完全相同，所以選擇輸出電容時(shí)一定要仔細(xì)閱讀其規(guī)格書，并注意其穩(wěn)定性。

　　輸出電容及其ESR引起的輸出電壓紋波為：

　　重新整理上式，可以得到：

　　比較好的降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波通常小于2%。對(duì)于560uF的輸出電容，公式5計(jì)算得出最大ESR為18.8mΩ。因此選擇ESR低于 18.8mΩ，容值大于560uF的電容。為了獲得較小的ESR，可以并聯(lián)多個(gè)電容。圖3給出了輸出電壓紋波和輸出電容及ESR的關(guān)系。這里采用了鉭電容，較低的ESR有助于控制輸出紋波。

　　輸入電容的選擇

　　輸入電容的紋波電流決定了容值和尺寸，下式用于計(jì)算輸入電容所能控制的紋波電流：

　　圖4所示是電容紋波電流和降壓轉(zhuǎn)換器輸出/輸入電壓比的關(guān)系曲線。最差工作條件是輸入電壓等于兩倍的輸出電壓(VOUT/VIN=0.5)，產(chǎn)生IOUT (MAX)/2的紋波電流。

　　降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容與其輸入阻抗有關(guān)，對(duì)于普通電路，每安培輸出電流要求10uF到22uF的輸入電容就足夠了。從圖1給定的參數(shù)，可以得到輸入紋波電流為3.16A，可選擇40uF的輸入電容并根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。

　不要選擇鉭電容作為輸入電容，這種電容在失效時(shí)通常會(huì)造成“短路”。陶瓷電容和鋁電解電容是首選，它們沒有這一失效模式。當(dāng)PCB面積和器件高度受限時(shí)，陶瓷電容是很好的選擇，但是陶瓷電容可能會(huì)引起音頻噪聲。陶瓷電容中的鐵電(ferroelectric)電介質(zhì)與壓電現(xiàn)象相互作用，導(dǎo)致紋波電壓引起PCB機(jī)械振動(dòng)。聚合物電容沒有這個(gè)問題，雖然它也會(huì)失效，但比鉭電容好得多，所以比較適合用作輸入電容。

　　二極管的選擇

　　功耗是選擇二極管的主要因素，最差工作條件下的平均功率由下式計(jì)算：

　　VD是給定輸出電流IOUT(MAX)時(shí)二極管兩端的壓降(硅二極管的典型值為0.7V，肖特基二極管為0.3V)。要保證所選的二極管能夠耗散這些功率，為了保證電路可靠工作，還要保證最大反向擊穿電壓高于最大輸入電壓(VRRM≥ VIN(MAX))，二極管的正向?qū)娏饕欢ㄒ獫M足或超過最大輸出電流(IF(AV)≥ IOUT(MAX))。

　　MOSFET的選擇

　　選擇MOSFET有一定的困難，所以很多工程師選擇內(nèi)置MOSFET的調(diào)節(jié)器。但是，在同等封裝的DC-DC控制器內(nèi)集成大功率 MOSFET，成本很難控制。所以內(nèi)置MOSFET的轉(zhuǎn)換器最大輸出電流一般不超過3A到6A，要求更大電流時(shí)需外置MOSFET。選擇適當(dāng)?shù)耐庵?MOSFET前，必須了解其最大結(jié)溫(Tj(max))和最高環(huán)境溫度(TA(max))，Tj(max)不應(yīng)該超過115℃到120℃，TA(max)不應(yīng)該超過60℃。下式可以計(jì)算MOSFET所允許？