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在DC/DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計上，電感和電容器的選擇特別重要，必須充分理解電路工作、電流路徑、各器件擔(dān)負(fù)什么工作或任務(wù)，才能選擇合適的電感和電容。本文從思考步驟、計算公式、實例上給出了如何為降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇合適的電感和電容。 電感的選擇 在設(shè)計降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器時，電感的選擇很重要。性能或特性視其選擇而有極大的影響。電感的選擇步驟或電感值等的計算方法基本上標(biāo)示于利用電源IC的技術(shù)規(guī)格。 電感的選定步驟 首先，介紹電感選定的步驟。 1）計算必要的電感值L 2）計算流向電感的最大電流（輸出電流＋1/2紋波電流） 3）根據(jù)已計算的L值（或近似）選擇已計算電感飽和電流的最大電流以上的電感
基本上根據(jù)計算并考慮余量后做決定。余量的求取法基于公司的設(shè)計規(guī)則或經(jīng)驗法則。 1）電感值的計算 2）電感最大電流的計算 從公式和電流波形可知，ILPEAK值為ΔIL的1/2加IOUT的值。
電感的選定實例 條件：VIN = 12V 、VOUT = 3.3V、IOUT = 2A、r = 0.3、f SW = 380kHz 根據(jù)上述結(jié)果，飽和電流2.3A以上的10μH電感成為出發(fā)點。之所以稱為出發(fā)點，是因為此計算非絕對性，在考慮短路或瞬態(tài)狀態(tài)的情況等有可能必須變更。 使電感值變化的電感電流 在這里，為加深對電感工作的理解，進一步說明電感值變化時電感電流如何變化的情形。下圖表示在相同工作條件下將電感值設(shè)為0.4μH、1μH、2.2μH時ILPEAK。 從公式也可得知，當(dāng)電感值L變小時，ILPEAK會増加，可以獲得許多直流疊加電流。不過，通過ILPEAK増加，有必要容許更多的直流疊加電流。而電感值變大時則相反，必須探討相位補償?shù)南嚓P(guān)事宜。 電容的選擇 降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器所必須的電容器有輸出電容器和輸入電容器。先來看一下輸入電容器和輸出電容器的作用。 首先，為了理解輸入電容器和輸出電容器的作用，先來重溫一下降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器的電流的流向。通過理解流向各種電容器的不同電流性質(zhì)，可以清楚明白應(yīng)選擇哪種電容器。 圖中上方ICO為輸出電容器、下方的ICIN為輸入電容器的電流波形。輸入電容器可從VIN充電，當(dāng)晶體管Q1為ON時會放出開關(guān)電流IDD。比較大的電流會急劇反復(fù)流動。輸出電容器以輸出電壓為中心反復(fù)與輸出紋波電壓連動進行充放電工作。 輸出電容器的選定 輸出電容器的選定的重要因素有以下3個。 1）額定電壓 2）額定紋波電流 3）ESR（等效串聯(lián)電阻） 當(dāng)然，電容器可施加的電壓及紋波電流必須在電容器的最大額定以下。此外，ESR與電感電流相關(guān)，且是決定輸出紋波電壓的重要因素，因此必須充分探討。 輸出電容器的紋波電流如上圖的ICO所示是三角波，而其實效值則用下面公式表示。 輸出紋波電壓是通過上圖的電感電流IL紋波ΔIL和輸出電容器的容值、ESR、ESL所產(chǎn)生的電壓合成波形，用下面公式表示。 如果以波形表示，則為以下圖像。 通過開關(guān)所產(chǎn)生的電感電流紋波ΔIL將產(chǎn)生與ESR成單純正比的紋波電壓，有些ESL則會產(chǎn)生方形波電壓，與電容值部分合成，最下方波形成為最終的輸出紋波電壓波形。 以下是表示輸出紋波電壓的公式。電容器的紋波電壓和ESR的紋波由于相位偏離，故無法進行單純的加算，不過卻是紋波電壓的最差值概算常用的公式。 由此公式可知，輸出紋波電壓如果要變小的話，須降低ESR，增加輸出電容器，提高開關(guān)頻率，使IL在必要最低限。 近年來，輸出電容器中使用疊層陶瓷電容器的例子似乎正逐漸增加。陶瓷電容器由于ESR和ESL非常小，可觀察的紋波電壓幾乎都源自電容值。 小結(jié)一下，在輸出電容器的選定上，額定電壓、額定紋波電流、ESR都是重要因素。除了平滑化、穩(wěn)定化之外，當(dāng)然也與輸出紋波電壓有密切的關(guān)系。 輸入電容的選擇 前面已經(jīng)說明輸出電容器作用和選擇的要點。接下來則進入輸入電容器的說明。 輸入電容器的選定的重要因素也有以下3個。 1）額定電壓 2）額定紋波電流及紋波發(fā)熱特性 3）使用陶瓷電容器時：溫度特性和DC偏置特性 此外，選擇前請注意以下幾點： ?額定電壓必須比最大輸入電壓高。 ?額定紋波電流必須比IC輸入所發(fā)生的最大輸入紋波電流大。 ?降壓轉(zhuǎn)換器中，瞬間輸入電流的最大值與輸出電流相同。 流向輸入電容器的紋波電流實效值ICIN用下列公式表示。 以此結(jié)果為主，并且根據(jù)電容器紋波電流絕對最大額定和紋波發(fā)熱特性的圖表來選擇可對應(yīng)電容器。 輸入紋波電壓ΔVIN用以下公式計算。
由此公式可知，如果輸入電容器變大時，輸入紋波電壓會變小。 可以選擇陶瓷電容器作為輸入電容器。使用陶瓷電容器時，一般必須注意溫度變化和DC偏置導(dǎo)致的電容器變化。 關(guān)于溫度特性，如果為CLASS2（高介電常數(shù)型）型的EAI符號X5R（-55～ 85℃、電容值變化率 ±15%）或X7R （-55～ 125℃、電容值變化率 ±15%）的話，可充分獲得穩(wěn)定的溫度特性。 關(guān)于DC偏置，當(dāng)然須選擇影響少的，不過即使電容值、耐壓相同，變動特性也會因封裝尺寸而異。下方圖表為其一例，顯示尺寸大者變動少?？傊?，請務(wù)必從電容器廠商取得充分的信息。
基本上，必須根據(jù)這些信息選擇輸入電容器，不過試作評估時也有必要確認(rèn)摻入紋波的輸入電壓沒有超過耐壓、沒有因紋波電流而產(chǎn)生無法承受的發(fā)熱等。 小結(jié)一下，在選擇輸入電容器時，重點考慮的是額定電壓、額定紋波電流、紋波發(fā)熱特性、尤其是陶瓷電容器時溫度特性和DC偏置特性。 |
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