如何為便攜式系統(tǒng)選擇電容和電感元件？（二）
點(diǎn)擊數(shù)：29262019-01-09 14:38:02 來(lái)源: 重慶哥爾摩科技有限公司、電波暗室、電磁兼容暗室、汽車電子暗室、EMI系統(tǒng)測(cè)試、EMS系統(tǒng)測(cè)試、EMC測(cè)試附件、EMC測(cè)試天線
因此，請(qǐng)記住應(yīng)該向廠商索取在應(yīng)用的預(yù)定直流偏置電壓下的電容值曲線。例如，采用2.5V輸出電壓時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須查看2.5V時(shí)的直流偏置。是開關(guān)穩(wěn)定性最好的最小電容值可在開關(guān)的規(guī)格說(shuō)明書中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單（BOM）的電容雙重來(lái)源時(shí)，廠商間的差異也必須考慮到。
上述決策不應(yīng)該留給采購(gòu)人員，除非他們能給出很好的建議。電容器生廠商往往喜歡出示單獨(dú)的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過，他們不會(huì)同時(shí)給出兩條，但實(shí)際應(yīng)用恰恰需要兩條。應(yīng)該記住向生產(chǎn)廠商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線。
例如，基帶內(nèi)核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤驅(qū)動(dòng)器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器電源的輸出電壓范圍為0.8到3.4V。
選擇輸入電容時(shí)，必須考慮到輸入電壓范圍。對(duì)鋰離子電池而言，這個(gè)范圍為3到4.3V，當(dāng)插入充電器時(shí)，可高達(dá)5.5V。
從系統(tǒng)的角度來(lái)看，阻抗ESR與頻率的關(guān)系曲線也很重要。用于2MHz開關(guān)的電容可能并不適合于5MHz開關(guān)。開關(guān)設(shè)計(jì)中，電容的諧振頻率是一關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率接近輸出電容的諧振頻率時(shí)，輸出電壓紋波最小。
例如，4.7μF和10μF0603電容的諧振頻率范圍都為2到3MHz。但1μF 0603電容的諧振頻率在6MHz左右，1μF 0402電容的近10MHz。工作頻率高于諧振頻率時(shí)，阻抗實(shí)際上是電感性的。如果沒有正確的補(bǔ)償，將產(chǎn)生穩(wěn)定性問題，且開關(guān)的紋波增加。最后但并非不重要的是，陶瓷電容的生產(chǎn)容限是在1kHz頻率、1Vrms或0.5Vrms電壓下規(guī)定測(cè)試的，但實(shí)際應(yīng)用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。對(duì)一個(gè)典型的開關(guān)，紋波電壓范圍為5到30mV。 設(shè)計(jì)人員在考慮無(wú)源器件時(shí)，他們想到的是電感電容的生產(chǎn)容限，一般為±20%或±10%。這在理論上是對(duì)的，但在實(shí)際應(yīng)用中卻不然。本文介紹電容電感易受影響的一些參數(shù)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須了解的知識(shí)，并討論如何為最小但最高效的便攜式電源系統(tǒng)解決方案選擇外部元件。
選擇電感
為便攜式電源應(yīng)用選擇電感，需要考慮的最重要的一點(diǎn)是：尺寸大小。
移動(dòng)電話的電路板面積十分緊俏珍貴，隨著MP3播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話中時(shí)，尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此，以前一直由線性調(diào)節(jié)器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實(shí)現(xiàn)更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器。正如其名稱所暗示的，這是需要一個(gè)電感。
電感的主要規(guī)格出尺寸大小外，還有開關(guān)頻率下的電感值、線圈的直流阻抗（DCR）、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗（ESR）以及Q因子。根據(jù)應(yīng)用的不同，電感類型的選擇——屏蔽式或非屏蔽式——也是很重要的。
類似于電容中的直流偏置，廠商A的2.2μH電感可能與廠商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內(nèi)電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線，必需向廠商索取。在這條曲線上可以查到額定飽和電流（ISAT）。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時(shí)的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒有規(guī)定的ISAT。他們可能給出了溫度高于環(huán)境溫度40℃時(shí)的直流電流。
DCR引起傳導(dǎo)損耗，在輸出電流較高時(shí)影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加，在輸出電流較小時(shí)影響占主導(dǎo)地位的開關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下，低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其他規(guī)格時(shí)，為什么系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮ESR和Q因子呢？
當(dāng)開關(guān)頻率超過2MHz時(shí)，必須格外關(guān)注電感的交流損耗。規(guī)格說(shuō)明書中列出的比較不同廠商的電感的ISAT和DCR在開關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗，導(dǎo)致輕負(fù)載下顯著的效率差異。這一點(diǎn)對(duì)提高便攜式電源系統(tǒng)中電池的壽命至為重要，因?yàn)橄到y(tǒng)大部分的時(shí)間是處于睡眠、待機(jī)或低功率模式下的。
由于電感生產(chǎn)廠商很少提供ESR和Q因子信息，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該主動(dòng)向他們索取。廠商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25℃，故應(yīng)該索取工作溫度范圍內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最壞情況一般是85℃。
圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關(guān)系?？紤]一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的例子，其規(guī)格參數(shù)如下：FSW=2MHz，VIN=5.5V，I=0到600MA,△I=289MA（計(jì)算值）。 參見圖3,2.2μH額定電感在低頻下的DCR未0.2Ω，2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計(jì)算：
DC損耗=12×DCR
AC損耗=（d△12）/12×ESR
由上式可知，輸出電流較高時(shí)，低頻或直流損耗占主導(dǎo)地位；輸出電流較低時(shí)，交流損耗占主導(dǎo)地位。△I是轉(zhuǎn)換器的峰值紋波電流，在連續(xù)傳導(dǎo)工作模式中，輸出電流高和低時(shí)其幅度都一樣。由數(shù)字計(jì)算可知，I=600MA時(shí)，電感總體損耗的91%是直流損耗；I=50mA時(shí)，電感總體損耗的93%是交流損耗。
圖4a（ESR)和4b(Q)給出了廠商A（低ESR,高Q值）和廠商B(高ESR,低Q值）的電感，還顯示了采用這些電感（圖4c）的2MHz轉(zhuǎn)換器的效率曲線。從這些數(shù)據(jù)判斷，即使廠商A有較高的DCR，它也能在輕負(fù)載下提供更高的效率。
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