基础电子中的如何为DC-DC选择适合的电感和电容
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2020-10-20
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基础电子中的如何为基础电子中的如何为DC-DC选择适合的电感和电容选择适合的电感和电容
随着手机、PDA以及其它便携式电子产品在不断小型化，其复杂性同时也在相应提高，这使设计工程师面临的
问题越来越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。 使用DC/DC转换器主要是为了提高效率。很
多设计都要求将电池电压转换成较低的供电电压，尽管采用线性稳压器即可实现这一转换，但它并不能达到基
于开关稳压器设计的高效率。本文将介绍设计工程师在权衡解决方案的占用空间、性能以及成本时必须要面对
的常见问题。 大信号与小信号响应 开关转换器采用非常复杂的稳压方法保持重/轻负载时的高效率。现
在的CPU内核电源要求稳压器提供快速而通畅的大信号响应。例如，当处理器从空闲模式切换至全速工作模式
时
随着手机、PDA以及其它便携式电子产品在不断小型化，其复杂性同时也在相应提高，这使设计工程师面临的问题越来
越多，如电池使用寿命、占板空间、散热或功耗等。
使用DC/DC转换器主要是为了提高效率。很多设计都要求将电池电压转换成较低的供电电压，尽管采用线性稳压器即可
实现这一转换，但它并不能达到基于开关稳压器设计的高效率。本文将介绍设计工程师在权衡解决方案的占用空间、性能以及
成本时必须要面对的常见问题。
大信号与小信号响应
开关转换器采用非常复杂的稳压方法保持重/轻负载时的高效率。现在的CPU内核电源要求稳压器提供快速而通畅的大信
号响应。例如，当处理器从空闲模式切换至全速工作模式时，内核吸收的电流会从几十微安很快地上升到数百毫安。
随着负载条件变化，环路会迅速响应新的要求，以便将电压控制在稳压限制范围之内。负载变化幅度和速率决定环路响应
是大信号响应还是小信号响应。我们可根据稳态工作点定义小信号参数。因此，我们一般将低于稳态工作点10%的变化称为小
信号变化。
实际上，误差放大器处于压摆范围（slewlimit）内，由于负载瞬态发生速度超过误差放大器的响应速度，放大器并不控制
环路，所以，在电感器电流达到要求之前，由输出电容器满足瞬态电流要求。
大信号响应会暂时使环路停止工作。不过，在进入和退出大信号响应之前，环路必须提供良好的响应。环路带宽越高，负
载瞬态响应速度就越快。
从小信号角度来看，尽管稳压环路可以提供足够的增益和相位裕度，但是开关转换器在线路或负载瞬态期间仍然可能出现
不稳定状态和振铃现象。在选择外部元件时，电源设计工程师应意识到这些局限性，否则其设计就有可能遇到麻烦。
电感器选型
以图1所示的基本降压稳压器为例，说明电感器的选型。
对大多数TPS6220x应用而言，电感器的电感值范围为4.7uH~10uH.电感值的选择取决于期望的纹波电流。一般建议纹波
电流应低于平均电感电流的20%.如等式1所示，较高的VIN或VOUT也会增加纹波电流。电感器当然必须能够在不造成磁芯饱
和（意味着电感损失）情况下处理峰值开关电流。
以增加输出电压纹波为代价，使用低值电感器便可提高输出电流变化速度，从而改善转换器的负载瞬态响应。高值电感器
则可以降低纹波电流和磁芯磁滞损耗。
可将线圈总损耗结合到损耗电阻（Rs）中，该电阻与理想电感（Ls）串联，组成了一个如图1所示的简化等效电路。
尽管Rs损耗与频率有关，但在产品说明书中仍对直流电阻（RDC）进行了定义。该电阻取决于所采用的材料或贴片电感
器的构造类型，在室温条件下通过简单的电阻测量即可获得。RDC的大小直接影响线圈的温度上升。因此，应当避免长时间
超过电流额定值。
线圈的总耗损包括RDC中的耗损和下列与频率相关联的耗损分量：磁芯材料损耗（磁滞损耗、涡流损耗）；趋肤效应造
成的导体中的其他耗损（高频电流位移）；相邻绕组的磁场损耗（邻近效应）；辐射损耗
可将上述所有耗损分量组合在一起构成串联耗损电阻（Rs）。耗损电阻主要用于定义电感器的品质。然而，我们无法用
数学方法确定Rs.因此，我们一般采用阻抗分析仪在整个频率范围内对电感器进行测量。这种测量可以确定XL（f）、Rs（f）
和Z（f）个别分量。
我们将电感线圈电抗（XL）与总电阻（Rs）之比称为品质因素Q,参见公式（2）。品质因素被定义为电感器的品质参
数。损耗越高，电感器作为储能元件的品质就越低。
品质-频率图可以帮助选择针对特定应用的最佳电感器结构。如测量结果图2所示，可以将损耗最低（Q值最高）的工作范
围定义为一直延伸到品质拐点。如果在更高的频率使用电感器，损耗会剧增（Q降低）。
良好设计的电感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形状可以相应改变电感器的大小/电流和价格/电流关系。采用铁
氧体材料的屏蔽电感器尺寸较小，而且不辐射太多能量。选择何种电感器往往取决于价格与尺寸要求以及相应的辐射场/EMI
要求。
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