为DC/DC转换器选择正确的电感器与电容器

为DC/DC转换器选择正确的电感器与电容器

随着便携式电子产品的体积在不断缩小，其复杂性同时也在相应的提高。这使得设计工
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。本文以德州仪器
TPS6220x 系列降压稳压器为例，向设计工程师介绍在权衡解决方案的占用空间、性能以及
成本时，如何为DC/DC 转换器选择正确的电感器与电容器。
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。

图1：TPS6220x 基本降压稳压器 来源:http://tede.cn
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。
输出电容器
消除输出电容器可以在成本和占板空间两方面实现节省。输出电容器的基本选择取决于
纹波电流、纹波电压以及环路稳定性等各种因素。
输出电容器的有效串联电阻(ESR)和电感器值会直接影响输出纹波电压。利用电感器纹
波电流((IL)和输出电容器的ESR 可以简单地估测输出纹波电压。
因此，设计时应当选用ESR 尽可能低的电容器。例如，采用X5R/X7R 技术的4.7uF 到
10uF 电容器表现为10m(范围的ESR 值。轻负载(或者不考虑纹波的应用)也可以使用容值更
小的电容器。

图2：品质-频率图：(a)Q 和频率的关系；(b)RS 和频率的关系。
TI 的控制环路架构使您能够采用自己首选的输出电容器，同时还可以补偿控制环路，
以实现最佳的瞬态响应和环路稳定性。当然，内部补偿能够理想地支持一系列工作条件，而且能够敏感地响应输出电容器参数变化。
TPS6220x 系列降压转换器具有内部环路补偿功能。因此，必须选择支持内部补偿功能
的外部LC 滤波器。对于此类器件而言，内部补偿最适合16kHz 的LC 转角频率
(cornerfrequency)，即10uH 电感器与10uF 输出电容器。根据一般经验法则，在选用不同输
出滤波器时，L*C 乘积不应当大范围变动。在选择更小的电感器或电容器值时，会造成转角
频率增加至更高频率，因此这一点尤为重要。
在从负载瞬态出现到打开P-MOSFET 期间，输出电容器必须提供负载所需的全部电流。输
出电容器提供的电流会造成经过ESR 的电压降低(从输出电压中扣除)。ESR 越低，输出电
容器提供负载电流时的电压损耗就越低。为了降低解决方案尺寸并且提升TPS62200 转换器
的负载瞬态性能，建议采用4.7uH 电感器和22uF 输出电容器。