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如何選擇DC/DC可調直流電源轉換器的電感和電容?

在DC/DC可調直流電源轉換器的設計上,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、各器件擔負什麽工作或任務,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可調直流

電源轉換器選擇合適的電感和電容。

電感的選擇

在設計降壓型DC/DC可調直流電源轉換器時,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示於利用電源IC的技術規格。

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

(注意:在短路或瞬態狀態下計算出可能會流出的最大值以上的電流,因此有以最大開關電流為基礎來選擇的方法)

基本上根據計算並考慮餘量後做決定。餘量的求取法基於公司的設計規則或經驗法則。

1)電感值的計算

首先,根據以下公式計算電感值。

2)電感最大電流的計算

接著,根據以下公式計算電感的最大電流。

從公式和電流波形可知,ILPEAK值為ΔIL的1/2加IOUT的值。

根據已計算的電感值和電感的最大電流選擇近似的電感值且飽和電流在最大電流以上的電感。以下為選擇例。

電感的選定實例

條件:VIN = 12V 、VOUT = 3.3V、IOUT = 2A、r = 0.3、f SW = 380kHz

根據上述結果,飽和電流2.3A以上的10μH電感成為出發點。之所以稱為出發點,是因為此計算非絕對性,在考慮短路或瞬態狀態的情況等有可能必須變更。

使電感值變化的電感電流

在這裏,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為0.4μH、1μH、2.2μH時ILPEAK。 

從公式也可得知,當電感值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,必須探討相位補償的相關事宜。

電容的選擇

降壓型DC/DC可調直流電源轉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可調直流電源轉換器的電流的流向。通過理解流向各種電容器的不同電流性質,可以清楚明白應選擇哪種電容器。 
如何選擇DC/DC可調直流電源轉換器的電感和電容?
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,當晶體管Q1為ON時會放出開關電流IDD。比較大的電流會急劇反複流動。輸出電容器以輸出電壓為中心反複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(等效串聯電阻)

當然,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,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,而其實效值則用下麵公式表示。 

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所產生的電壓合成波形,用下麵公式表示。 

如果以波形表示,則為以下圖像。

通過開關所產生的電感電流紋波ΔIL將產生與ESR成單純正比的紋波電壓,有些ESL則會產生方形波電壓,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的紋波由於相位偏離,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。陶瓷電容器由於ESR和ESL非常小,可觀察的紋波電壓幾乎都源自電容值。

小結一下,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、穩定化之外,當然也與輸出紋波電壓有密切的關係。

輸入電容的選擇

前麵已經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輸入所發生的最大輸入紋波電流大。
・降壓轉換器中,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。

以此結果為主,並且根據電容器紋波電流絕對最大額定和紋波發熱特性的圖表來選擇可對應電容器。

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偏置導致的電容器變化。

關於溫度特性,如果為CLASS2(高介電常數型)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,可充分獲得穩定的溫度特性。

關於DC偏置,當然須選擇影響少的,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。總之,請務必從電容器廠商取得充分的信息。
 
基本上,必須根據這些信息選擇輸入電容器,不過試作評估時也有必要確認摻入紋波的輸入電壓沒有超過耐壓、沒有因紋波電流而產生無法承受的發熱等。

總結,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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