DC轉(zhuǎn)換器中的貼片電感與電容

隨著手機(jī)、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品在不斷小型化，其復(fù)雜性同時(shí)也在相應(yīng)提高，這使設(shè)計(jì)工程師面臨的問題越來越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。 

使用DC轉(zhuǎn)換器主要是為了提升效率。很多設(shè)計(jì)都要求將電池電壓轉(zhuǎn)換成較低的供電電壓，盡管采用線性穩(wěn)壓器即可實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)換，但它并不能達(dá)到基于開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)的效率。實(shí)際上，誤差放大器處于壓擺范圍內(nèi)，由于負(fù)載瞬態(tài)發(fā)生速度超過誤差放大器的響應(yīng)速度，放大器并不控制環(huán)路，所以，在貼片電感電流達(dá)到要求之前，由輸出電容器滿足瞬態(tài)電流要求。 

大信號(hào)響應(yīng)會(huì)暫時(shí)使環(huán)路停止工作。不過，在進(jìn)入和退出大信號(hào)響應(yīng)之前，環(huán)路必須提供良好的響應(yīng)。環(huán)路帶寬越高，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度就越快。 從小信號(hào)角度來看，盡管穩(wěn)壓環(huán)路可以提供足夠的增益和相位裕度，但是開關(guān)轉(zhuǎn)換器在線路或負(fù)載瞬態(tài)期間仍然可能出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)和振鈴現(xiàn)象。在選擇外部元件時(shí)，電源設(shè)計(jì)工程師應(yīng)意識(shí)到這些局限性，否則其設(shè)計(jì)就有可能遇到麻煩。 

一、貼片電感選型 

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(yīng)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(dāng)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(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(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。 可將線圈總損耗結(jié)合到損耗電阻(Rs)中，該電阻與理想電感(Ls)串聯(lián)，簡化等效電路。 

良好設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)的輻射場/EMI要求。

二、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(wěn)定性等各種因素。 它有效串聯(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可以簡單地估測輸出紋波電壓。 

因此，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)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貼片電容器表現(xiàn)為10m(范圍的ESR值。輕負(fù)載(或者不考慮紋波的應(yīng)用)也可以使用容值更小的電容器。

TI的控制環(huán)路架構(gòu)使您能夠采用自己優(yōu)選的輸出電容器，同時(shí)還可以補(bǔ)償控制環(huán)路，以實(shí)現(xiàn)較好的的瞬態(tài)響應(yīng)和環(huán)路穩(wěn)定性。當(dāng)然，內(nèi)部補(bǔ)償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應(yīng)輸出電容器參數(shù)變化。

TPS6220x系列降壓轉(zhuǎn)換器具有內(nèi)部環(huán)路補(bǔ)償功能。因此，必須選擇支持內(nèi)部補(bǔ)償功能的外部LC濾波器。對(duì)于此類器件而言，內(nèi)部補(bǔ)償適合16kHz的LC轉(zhuǎn)角頻率，即10uH電感器與10uF輸出電容器。在選擇更小的電感器或電容器值時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)角頻率增加至更高頻率，因此這一點(diǎn)尤為重要。

在從負(fù)載瞬態(tài)出現(xiàn)到打開P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負(fù)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(fù)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轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。