开关电源是一个非常高效的功率转换器,其接近100%,大范围的理论值。拓扑点,升压,降压,升压 - 降压,电荷泵等;师通过切换与PWM,PFM控制模式;按类别切换,有BJT,FET,IGBT等。在常规的PWM控制的电源管理数据卡降压,升压基于型的讨论。

开关电源,其包括的主要组件:输入源,开关,电感器,控制电路,二极管,和输出负载电容。目前,大多数半导体制造商将切换,控制电路中,二极管集成到一个电源管理IC CMOS /双极工艺,大大简化了外部电路。

其中电感器作为关键部件的开关电源,电源起着重要的作用好或坏的表现,同时也注重产品的设计工程师和对象的调试。随着诸如移动电话,PMP,数据卡作为消费性电子装置的尺寸的代表在轻,薄,小巧,时尚的趋势,这正与更强的性能的更大容量,较大尺寸的电感和电容的矛盾正在移动。因此,如何保证降低开关电源电感的大小的前提下,产品的性能(PCB占用面积和高度)被本文所讨论的一个重要课题,设计者必须性能和电路电感之间折衷(权衡)。

任何事物都有两面性,开关电源也不例外。坏PCB布局设计,不仅降低了开关电源的性能,这将加强EMC,EMI,接地反弹(接地)等。开关电源的另一个重要命题应当指出,布局的问题,并且还遵循原则本文所讨论的。

一种开关电源的占空比d,电感值L,公式推导效率η

具有不同的拓扑结构中的降压和升压开关电源,将参照图1中所示的电路模型用于本发明。 1-1,1-2 [1]:

默认模型参考电路电感DCR(直接定电阻)是零。

降压/升压开关电源,与该开关和关断时,电感器电流波形示于图1-3:

可以从图中可以看出,电感器电流的波形等同于I(P-P)值的直流交流电流δII(DC)的叠加。因此,I(DC)的输出电流I(O),主要由负载消耗; ACδI在负载电容ESR(式串联电阻),输出纹波V(波动)被消耗。

所以,

下面降压以导出一个实例开关电源的占空比,和电感值效率公式。

在连续模式期间,开关闭合,电感器负责基尔霍夫定律:

dt为大约:d / F(d:ON / OFF的振荡周期T开关的状态之间的比率,T = 1 / F,DT = d * T = d / F); d:占空比是由高的导通周期的时间周期时间比所占据的电平)

扩大:

其中:IV输入电压,SWV用于开关电压,OV输出电压,SWf的是开关频率,d为占空比。

在连续模式期间,开关断开时,电感放电,根据基尔霍夫定律有:

也被称为电流纹波比r,是纹波电流和额定输出电流的比率。巴克对于给定的开关电源,

这个值通常是恒定的。可从式(5)中得到:较大的电感,较小的I,所以第r越小?但是,这往往导致需要做大量的电感,使大部分降压的0.25和0.5之间切换电源切换的r值。

所述(6)代入(5),得到:

到目前为止,我们得出的降压型开关电源。需要提醒的是,所有上述公式是基于参考电路模型,忽略电感器DCR。

可从等式(4)中可以看出,仅占空比,V(O)与V(i)中,可以很容易地设置到计算电路d,这是开关相关联,V(SW)和V(d)核心电路的电源控制器之一,但开关电源的应用,我们可以不在乎。

如可以从公式(8)中可以看出,仅在开关电源的效率,V(O)与V(i)关联,V(SW)和V(d)。确实V(SW)和V(d)是开关频率f(SW)功能,它是F(SW)的功能,但不保证使f(SW)越高,。

对于给定的降压开关电源,其被确定SWF,所述预定值是,特别是忽略V(SW)和V(d),值1。显然,这并不与实际情况相匹配,其根本原因是该“参考模型假设电感是理想的电感。”

的(5)代入可以得到式(1):

因此,通过选择大的电感可以处理大容量的低ESR输出电容减小输出纹波电压。

类似地,可以推断出升压开关电源是d,L,MINL,如下所示:

选择两个最小电感

等式(7),(12)分别给予通式选择的最小电感降压和升压开关电源。

对于诸如移动电话,PMP,在消费电子产品中使用的卡的数据,例如小功率开关电源,V(SW)和V(d)是0.1V〜0.3V之间,从而等式(7),(12)被简化了给:

在降压功率MSMC PM6658例如,V(i)是3.8V,V(O)为1.2V,r为1.6MHz的0.3中,f(SW),I(o_rated)500毫安,则L(分钟)3.08 uH容。如果电感公差的选择率为20%,1.25 * L(分钟)= 3.85uH。据计算,最近的标准电感值4.7uH的价值,所以PM6658规格推荐的最小电感值是4.7uH。

三,电感参数选择

在除上述电感和说话公差(公差),所述电感器具有下列重要的参数:运行频率

(自共振频率,F(0)),R(DC),电流饱和(饱和电流,I(饱和))和电流有效值(RMS电流,I(RMS))。虽然很多参数,但只有一个标准:尽量保证在F(SW)最小电感的阻抗,从而使实际的电路与理想的模型拟合度,降低功耗和发热量电感,提高电源的效率。

3.1运行频率f(O)

理想的模电感,其阻抗是线性的频率,这将随着频率增加而增加。图3-1-1,电感L与串联R(DCR)和C形成的寄生电容,自由运行频率f(O)的存在下平行所示的实际电感模型。当窗体呈容性感应的频率小于F(0),大于f(○),在F(0)的阻抗最大值。

经验:电感运行频率f(O)优选选择多于切换频率f的10倍(SW)。

3.2 DC电阻R(DCR)

电感的直流电阻R(DCR)本身消耗的功率的一部分,所述开关电源效率降低,更糟糕的是,这消耗通过感应加热的方式进行,这样可减少电感器的值,增大纹波电流典型基地DCR或最大值和纹波电压,所以开关电源,应根据在数据表上提供,电感器DCR选择尽可能小。

3.3饱和电流I(SAT)和RMS电流I(RMS)(电感烧伤的问题)

感测的最大电流值的电感饱和电流I(SAT)的装置下降10%至标称值的30%可以被采用。如图所示,当其I(SAT)的下降3-3-2器3.3uH约900毫安,所以(30%)是900毫安4.7uH电感电流。

RMS电感电流I(有效值)是指在25℃度由电感的温度上升℃至65个均方根电流可以通过。

尺寸I(SAT)和I(RMS)是依赖于电感和磁饱和温度升高到65度的顺序。] C.

当标称输出电流大于I(SAT),电感器饱和,电感值减小纹波电流,脉动电压的增大,降低了效率。因此,电感器的值I(SAT)和I(RMS)应比开关电源1.3或更多的额定输出电流。

四,选择电感器的类型

在计算明确的选择参数和电感的最小电感值,必要的电感向市场推出了一些流行的类型的

做比较分析,以下将是大约:大,小电感电感器,绕组电感和多层电感器,磁屏蔽和非屏蔽感应电感对比说明。

4.1在相同的尺寸和低电感的电感高

这里,“相同的尺寸”指的是电感器的物理形状是基本相同的,“大小”,所述的不同的容量的指标。一般小容量电感器具有以下优点:

低DCR,所以当有过载更高的效率和更少的热量;

更大的饱和电流;

更快的负载瞬态响应;

具有在轻负载的大容量和低纹波电压和纹波电流,交流和低导通损失,提高效率的电感器。图4-1-1是2518太阳诱电3种具有不同容量的大小的效率曲线的负载电流的封装电感的。

4.2绕线电感和多层电感

相比于绕线电感,叠层电感器具有以下优点:

更小的物理尺寸,占用更少的PCB面积和空间的高度;

低DCR,当过载时更高的效率;

降低AC损耗,在轻负载更高的效率;

然而,SATI层叠电感小,因此存在在重负载的大电流纹波,导致输出纹波电压也将增加。图4-2-1是负载电流和效率太阳诱电两个卷绕的电感曲线与三星图两个多层电感器。

4.3非屏蔽和屏蔽电感器磁电感

非屏蔽电感器具有较低的价格和更小的尺寸,但它也可以产生EMI。电感磁屏蔽EMI有效屏蔽,因而更适合于无线设备,诸如EMI敏感的应用,此外它还具有较低的DCR。

第五,电感选择汇总

在上一节所述,我们可以通过以下步骤选择一个电感器:

(1)计算L(分钟)和推荐的电感参数:F(0),R(DC),I(SAT),I(RMS);

2),以确保在(1)被提供,根据物理尺寸和成本的要求,存在折衷:大或小的电感电感器,叠层电感器或绕组的电感,电感器屏蔽或非屏蔽磁电感。

第六,开关电源的布局

降压电路的示例中,开关是闭合 - 开或开 - 闭,是电流瞬态的部分发生图(C),这是非常丰富会产生一个上升或下降沿的谐波分量。通俗的讲,这些瞬态电流生成的跟踪(跟踪)所谓的“交替”(AC电流),其余的是“DC”(DC电流)。当然,这里的差的定义不是常规教科书AC和DC,但切换PWM频率为“AC”的仅一个分量在FFT变换,而在这样的高次谐波成分的“DC”是低,可以忽略不计。因此,电感器是“DC”并不奇怪,电感器电流具有这样的特性,以防止瞬变的出现之后。因此,当开关电源布局,“交流”的踪迹是最重要和最需要的地方仔细考虑。唯一的基本规律(只有基本的规则)同样重要的是要记住,并运用法律和其他拓扑结构。下图显示的瞬时电流Boost电路走线,注意它和降压电路之间的差别。

在室温下的2.5兆欧,1英寸长,50mm宽,电阻1.4mil厚(1盎司)的铜线电流流经时。如图1A所示,产生的压力降2.5mV的,没有缺点对于大多数IC的影响。然而,这样的长1英寸线是20nH寄生电感,从V = L * di / dt的,可见,当电流变化快,可以创建一个大的压降。由的1.2倍,则关断开关输出电流产生的功率的典型降压开关瞬变 - 由开口所产生的瞬态电流是输出电流的0.8倍。型FET开关转换时间是30ns的,双极型的是75ns,采用1英寸线部分的开关电源“交换”,当瞬变电流流过1A,会产生0.7V的压降。 0.7V相比2.5mV的,它增加了近300倍,所以高速开关部的布局是特别重要的。

所有可能的外围设备被放置紧紧毗邻转换器,可减少布线的长度是理想的布局,但布局被限制在非常有限的空间中,通常这样做,它根据必要是严重性的瞬态下降的顺序优先。巴克电路,输入旁路电容是靠近IC越好,其次是输入电容,二极管,最后,与具有一端连接到所述SW,并且另一端连接到地短而粗的痕迹。虽然升压电路布局,该布局在优先输出旁路输出电容和二极管的顺序来执行。