隨著(zhù)便攜式電子產(chǎn)品的體積在不斷縮小，其復雜性同時(shí)也在相應的提高。這使得設計工程師面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。本文以德州儀器TPS6220x系列降壓穩壓器為例，向設計工程師介紹在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時(shí)，如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器。

　　隨著(zhù)手機、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復雜性同時(shí)也在相應提高，這使設計工程師面臨的問(wèn)題越來(lái)越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。
　
　　使用DC/DC轉換器主要是為了提高效率。很多設計都要求將電池電壓轉換成較低的供電電壓，盡管采用線(xiàn)性穩壓器即可實(shí)現這一轉換，但它并不能達到基于開(kāi)關(guān)穩壓器設計的高效率。本文將介紹設計工程師在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時(shí)必須要面對的常見(jiàn)問(wèn)題。

　　大信號與小信號響應

　　開(kāi)關(guān)轉換器采用非常復雜的穩壓方法保持重/輕負載時(shí)的高效率�，F在的CPU內核電源要求穩壓器提供快速而通暢的大信號響應。例如，當處理器從空閑模式切換至全速工作模式時(shí)，內核吸收的電流會(huì )從幾十微安很快地上升到數百毫安。

　　隨著(zhù)負載條件變化，環(huán)路會(huì )迅速響應新的要求，以便將電壓控制在穩壓限制范圍之內。負載變化幅度和速率決定環(huán)路響應是大信號響應還是小信號響應。我們可根據穩態(tài)工作點(diǎn)定義小信號參數。因此，我們一般將低于穩態(tài)工作點(diǎn)10％的變化稱(chēng)為小信號變化。

　　實(shí)際上，誤差放大器處于壓擺范圍(slew limit)內，由于負載瞬態(tài)發(fā)生速度超過(guò)誤差放大器的響應速度，放大器并不控制環(huán)路，所以，在電感器電流達到要求之前，由輸出電容器滿(mǎn)足瞬態(tài)電流要求。

　　大信號響應會(huì )暫時(shí)使環(huán)路停止工作。不過(guò)，在進(jìn)入和退出大信號響應之前，環(huán)路必須提供良好的響應。環(huán)路帶寬越高，負載瞬態(tài)響應速度就越快。

　　從小信號角度來(lái)看，盡管穩壓環(huán)路可以提供足夠的增益和相位裕度，但是開(kāi)關(guān)轉換器在線(xiàn)路或負載瞬態(tài)期間仍然可能出現不穩定狀態(tài)和振鈴現象。在選擇外部元件時(shí)，電源設計工程師應意識到這些局限性，否則其設計就有可能遇到麻煩。

電感器選型

　　以圖1所示的基本降壓穩壓器為例，說(shuō)明電感器的選型。

　　對大多數TPS6220x應用而言，電感器的電感值范圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取決于期望的紋波電流。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的20％。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會(huì )增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著(zhù)電感損失)情況下處理峰值開(kāi)關(guān)電流。

　　以增加輸出電壓紋波為代價(jià)，使用低值電感器便可提高輸出電流變化速度，從而改善轉換器的負載瞬態(tài)響應。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。

　　可將線(xiàn)圈總損耗結合到損耗電阻(Rs)中，該電阻與理想電感(Ls)串聯(lián)，組成了一個(gè)如圖1所示的簡(jiǎn)化等效電路。

　　盡管Rs損耗與頻率有關(guān)，但在產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中仍對直流電阻(RDC)進(jìn)行了定義。該電阻取決于所采用的材料或貼片電感器的構造類(lèi)型，在室溫條件下通過(guò)簡(jiǎn)單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線(xiàn)圈的溫度上升。因此，應當避免長(cháng)時(shí)間超過(guò)電流額定值。

　　線(xiàn)圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關(guān)聯(lián)的耗損分量：磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗)；趨膚效應造成的導體中的其他耗損(高頻電流位移)；相鄰繞組的磁場(chǎng)損耗(鄰近效應)；輻射損耗

　　可將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯(lián)耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感器的品質(zhì)。然而，我們無(wú)法用數學(xué)方法確定Rs。因此，我們一般采用阻抗分析儀在整個(gè)頻率范圍內對電感器進(jìn)行測量。這種測量可以確定XL(f)、Rs(f)和Z(f)個(gè)別分量。

　　我們將電感線(xiàn)圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱(chēng)為品質(zhì)因素Q，參見(jiàn)公式(2)。品質(zhì)因素被定義為電感器的品質(zhì)參數。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質(zhì)就越低。

　　品質(zhì)—頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結構。如測量結果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作范圍定義為一直延伸到品質(zhì)拐點(diǎn)。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會(huì )劇增(Q降低)。

　　良好設計的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應改變電感器的大小/電流和價(jià)格/電流關(guān)系。采用鐵氧體材料的屏蔽電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。選擇何種電感器往往取決于價(jià)格與尺寸要求以及相應的輻射場(chǎng)/EMI要求。

輸出電容器

　　消除輸出電容器可以在成本和占板空間兩方面實(shí)現節省。輸出電容器的基本選擇取決于紋波電流、紋波電壓以及環(huán)路穩定性等各種因素。

　　輸出電容器的有效串聯(lián)電阻(ESR)和電感器值會(huì )直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋波電流((IL)和輸出電容器的ESR可以簡(jiǎn)單地估測輸出紋波電壓。

　　因此，設計時(shí)應當選用ESR盡可能低的電容器。例如，采用X5R/X7R技術(shù)的4.7uF到10uF電容器表現為10m(范圍的ESR值。輕負載(或者不考慮紋波的應用)也可以使用容值更小的電容器。

圖2：品質(zhì)-頻率圖 ：(a) Q和頻率的關(guān)系；(b) RS和頻率的關(guān)系。

　　TI的控制環(huán)路架構使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時(shí)還可以補償控制環(huán)路，以實(shí)現最佳的瞬態(tài)響應和環(huán)路穩定性。當然，內部補償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應輸出電容器參數變化。

　　TPS6220x系列降壓轉換器具有內部環(huán)路補償功能。因此，必須選擇支持內部補償功能的外部LC濾波器。對于此類(lèi)器件而言，內部補償最適合16kHz的LC轉角頻率(corner frequency)，即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據一般經(jīng)驗法則，在選用不同輸出濾波器時(shí)，L*C乘積不應當大范圍變動(dòng)。在選擇更小的電感器或電容器值時(shí)，會(huì )造成轉角頻率增加至更高頻率，因此這一點(diǎn)尤為重要。

　　在從負載瞬態(tài)出現到打開(kāi)P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會(huì )造成經(jīng)過(guò)ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低，輸出電容器提供負載電流時(shí)的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸并且提升TPS62200轉換器的負載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。