中心議題：

• 如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器
• 介紹工程師在權衡解決方案必須要麵對的問題

解決方案：

• 選用ESR盡可能低的電容器
• 采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器

隨著便攜式電子產品的體積在不斷縮小
，其複雜性同時也在相應的提高。這使得設計工程師麵臨的問題越來越多，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係列降壓穩壓器為例
，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
，如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器。

隨著手機、PDA以及其它便攜式電子產品在不斷小型化
，其複雜性同時也在相應提高，這使設計工程師麵臨的問題越來越多，如電池使用壽命
、占板空間
、散熱或功耗等。

使用DC/DC轉zhuan換huan器qi主zhu要yao是shi為wei了le提ti高gao效xiao率lv。很hen多duo設she計ji都dou要yao求qiu將jiang電dian池chi電dian壓ya轉zhuan換huan成cheng較jiao低di的de供gong電dian電dian壓ya，盡jin管guan采cai用yong線xian性xing穩wen壓ya器qi即ji可ke實shi現xian這zhe一yi轉zhuan換huan，但dan它ta並bing不bu能neng達da到dao基ji於yu開kai關guan穩wen壓ya器qi設she計ji的de高gao效xiao率lv。本ben文wen將jiang介jie紹shao設she計ji工gong程cheng師shi在zai權quan衡heng解jie決jue方fang案an的de占zhan用yong空kong間jian、性能以及成本時必須要麵對的常見問題。

大信號與小信號響應

開關轉換器采用非常複雜的穩壓方法保持重/輕負載時的高效率。現在的CPU內(nei)核(he)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)穩(wen)壓(ya)器(qi)提(ti)供(gong)快(kuai)速(su)而(er)通(tong)暢(chang)的(de)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)。例(li)如(ru)，當(dang)處(chu)理(li)器(qi)從(cong)空(kong)閑(xian)模(mo)式(shi)切(qie)換(huan)至(zhi)全(quan)速(su)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)時(shi)
，內(nei)核(he)吸(xi)收(shou)的(de)電(dian)流(liu)會(hui)從(cong)幾(ji)十(shi)微(wei)安(an)很(hen)快(kuai)地(di)上(shang)升(sheng)到(dao)數(shu)百(bai)毫(hao)安(an)。

隨(sui)著(zhe)負(fu)載(zai)條(tiao)件(jian)變(bian)化(hua)

，環(huan)路(lu)會(hui)迅(xun)速(su)響(xiang)應(ying)新(xin)的(de)要(yao)求(qiu)，以(yi)便(bian)將(jiang)電(dian)壓(ya)控(kong)製(zhi)在(zai)穩(wen)壓(ya)限(xian)製(zhi)範(fan)圍(wei)之(zhi)內(nei)。負(fu)載(zai)變(bian)化(hua)幅(fu)度(du)和(he)速(su)率(lv)決(jue)定(ding)環(huan)路(lu)響(xiang)應(ying)是(shi)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)還(hai)是(shi)小(xiao)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)。我(wo)們(men)可(ke)根(gen)據(ju)穩(wen)態(tai)工(gong)作(zuo)點(dian)定(ding)義(yi)小(xiao)信(xin)號(hao)參(can)數(shu)。因(yin)此(ci)，我(wo)們(men)一(yi)般(ban)將(jiang)低(di)於(yu)穩(wen)態(tai)工(gong)作(zuo)點(dian)10%的變化稱為小信號變化。

實際上，誤差放大器處於壓擺範圍(slew limit)內nei，由you於yu負fu載zai瞬shun態tai發fa生sheng速su度du超chao過guo誤wu差cha放fang大da器qi的de響xiang應ying速su度du
，放fang大da器qi並bing不bu控kong製zhi環huan路lu，所suo以yi，在zai電dian感gan器qi電dian流liu達da到dao要yao求qiu之zhi前qian，由you輸shu出chu電dian容rong器qi滿man足zu瞬shun態tai電dian流liu要yao求qiu。

daxinhaoxiangyinghuizanshishihuanlutingzhigongzuo。buguo，zaijinruhetuichudaxinhaoxiangyingzhiqian


，huanlubixutigonglianghaodexiangying。huanludaikuanyuegao，fuzaishuntaixiangyingsudujiuyuekuai。

從cong小xiao信xin號hao角jiao度du來lai看kan，盡jin管guan穩wen壓ya環huan路lu可ke以yi提ti供gong足zu夠gou的de增zeng益yi和he相xiang位wei裕yu度du

，但dan是shi開kai關guan轉zhuan換huan器qi在zai線xian路lu或huo負fu載zai瞬shun態tai期qi間jian仍reng然ran可ke能neng出chu現xian不bu穩wen定ding狀zhuang態tai和he振zhen鈴ling現xian象xiang。在zai選xuan擇ze外wai部bu元yuan件jian時shi

，電dian源yuan設she計ji工gong程cheng師shi應ying意yi識shi到dao這zhe些xie局ju限xian性xing，否fou則ze其qi設she計ji就jiu有you可ke能neng遇yu到dao麻ma煩fan。

電感器選型

以圖1所示的基本降壓穩壓器為例，說明電感器的選型。

圖1 TPS6220x基本降壓穩壓器
 

對大多數TPS6220x應用而言，電感器的電感值範圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取決於期望的紋波電流。一般建議紋波電流應低於平均電感電流的20%。如等式1所示
，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感損失)情況下處理峰值開關電流。
 
以yi增zeng加jia輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo為wei代dai價jia，使shi用yong低di值zhi電dian感gan器qi便bian可ke提ti高gao輸shu出chu電dian流liu變bian化hua速su度du，從cong而er改gai善shan轉zhuan換huan器qi的de負fu載zai瞬shun態tai響xiang應ying。高gao值zhi電dian感gan器qi則ze可ke以yi降jiang低di紋wen波bo電dian流liu和he磁ci芯xin磁ci滯zhi損sun耗hao。

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

盡管Rs損耗與頻率有關，但在產品說明書中仍對直流電阻(RDC)進行了定義。該電阻取決於所采用的材料或貼片電感器的構造類型，在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應當避免長時間超過電流額定值。

線圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關聯的耗損分量：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耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用於定義電感器的品質。然而，我們無法用數學方法確定Rs。因此
，我們一般采用阻抗分析儀在整個頻率範圍內對電感器進行測量。這種測量可以確定XL(f)
、Rs(f)和Z(f)個別分量。
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我們將電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質因素Q，參見公式(2)。品質因素被定義為電感器的品質參數。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質就越低。

品質—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)的工作範圍定義為一直延伸到品質拐點。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會劇增(Q降低)。

 圖2 品質—頻率圖
 

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/電流和價格/電(dian)流(liu)關(guan)係(xi)。采(cai)用(yong)鐵(tie)氧(yang)體(ti)材(cai)料(liao)的(de)屏(ping)蔽(bi)電(dian)感(gan)器(qi)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)，而(er)且(qie)不(bu)輻(fu)射(she)太(tai)多(duo)能(neng)量(liang)。選(xuan)擇(ze)何(he)種(zhong)電(dian)感(gan)器(qi)往(wang)往(wang)取(qu)決(jue)於(yu)價(jia)格(ge)與(yu)尺(chi)寸(cun)要(yao)求(qiu)以(yi)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)輻(fu)射(she)場(chang)/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麵實現節省。輸出電容器的基本選擇取決於紋波電流、紋波電壓以及環路穩定性等各種因素。

輸出電容器的有效串聯電阻(ESR)和電感器值會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可以簡單地估測輸出紋波電壓。

因此，設計時應當選用ESR盡可能低的電容器。例如
，采用X5R/X7R技術的4.7uF到10uF電容器表現為10m(範圍的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。

TI的(de)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)架(jia)構(gou)使(shi)您(nin)能(neng)夠(gou)采(cai)用(yong)自(zi)己(ji)首(shou)選(xuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)器(qi)，同(tong)時(shi)還(hai)可(ke)以(yi)補(bu)償(chang)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)，以(yi)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)的(de)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)和(he)環(huan)路(lu)穩(wen)定(ding)性(xing)。當(dang)然(ran)，內(nei)部(bu)補(bu)償(chang)能(neng)夠(gou)理(li)想(xiang)地(di)支(zhi)持(chi)一(yi)係(xi)列(lie)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)，而(er)且(qie)能(neng)夠(gou)敏(min)感(gan)地(di)響(xiang)應(ying)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)器(qi)參(can)數(shu)變(bian)化(hua)。

TPS6220x係列降壓轉換器具有內部環路補償功能。因此
，必須選擇支持內部補償功能的外部LC濾波器。對於此類器件而言，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。根據一般經驗法則，在選用不同輸出濾波器時，L*C乘積不應當大範圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時，會造成轉角頻率增加至更高頻率，因此這一點尤為重要。

在從負載瞬態出現到打開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造成經過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的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸並且提升TPS62200轉換器的負載瞬態性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。