中心議題：

• 如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器
• 介紹工程師在權衡解決方案必須要麵對的問題

解決方案：

• 選用ESR盡可能低的電容器
• 采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器

隨著便攜式電子產品的體積在不斷縮小
，其複雜性同時也在相應的提高。這使得設計工程師麵臨的問題越來越多

，如電池使用壽命、占板空間
、散熱或功耗等。本文以德州儀器TPS6220x係列降壓穩壓器為例，向設計工程師介紹在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時，如何為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器。

隨著手機、PDA以及其它便攜式電子產品在不斷小型化
，其複雜性同時也在相應提高
，這使設計工程師麵臨的問題越來越多
，如電池使用壽命
、占板空間、散熱或功耗等。

使用DC/DC轉zhuan換huan器qi主zhu要yao是shi為wei了le提ti高gao效xiao率lv。很hen多duo設she計ji都dou要yao求qiu將jiang電dian池chi電dian壓ya轉zhuan換huan成cheng較jiao低di的de供gong電dian電dian壓ya，盡jin管guan采cai用yong線xian性xing穩wen壓ya器qi即ji可ke實shi現xian這zhe一yi轉zhuan換huan，但dan它ta並bing不bu能neng達da到dao基ji於yu開kai關guan穩wen壓ya器qi設she計ji的de高gao效xiao率lv。本ben文wen將jiang介jie紹shao設she計ji工gong程cheng師shi在zai權quan衡heng解jie決jue方fang案an的de占zhan用yong空kong間jian
、性能以及成本時必須要麵對的常見問題。

大信號與小信號響應

開關轉換器采用非常複雜的穩壓方法保持重/輕負載時的高效率。現在的CPU內(nei)核(he)電(dian)源(yuan)要(yao)求(qiu)穩(wen)壓(ya)器(qi)提(ti)供(gong)快(kuai)速(su)而(er)通(tong)暢(chang)的(de)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)。例(li)如(ru)，當(dang)處(chu)理(li)器(qi)從(cong)空(kong)閑(xian)模(mo)式(shi)切(qie)換(huan)至(zhi)全(quan)速(su)工(gong)作(zuo)模(mo)式(shi)時(shi)，內(nei)核(he)吸(xi)收(shou)的(de)電(dian)流(liu)會(hui)從(cong)幾(ji)十(shi)微(wei)安(an)很(hen)快(kuai)地(di)上(shang)升(sheng)到(dao)數(shu)百(bai)毫(hao)安(an)。

suizhefuzaitiaojianbianhua，huanluhuixunsuxiangyingxindeyaoqiu
，yibianjiangdianyakongzhizaiwenyaxianzhifanweizhinei。fuzaibianhuafuduhesulvjuedinghuanluxiangyingshidaxinhaoxiangyinghaishixiaoxinhaoxiangying。womenkegenjuwentaigongzuodiandingyixiaoxinhaocanshu。yinci，womenyibanjiangdiyuwentaigongzuodian10%的變化稱為小信號變化。

實際上，誤差放大器處於壓擺範圍(slew limit)內(nei)，由(you)於(yu)負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)發(fa)生(sheng)速(su)度(du)超(chao)過(guo)誤(wu)差(cha)放(fang)大(da)器(qi)的(de)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)，放(fang)大(da)器(qi)並(bing)不(bu)控(kong)製(zhi)環(huan)路(lu)
，所(suo)以(yi)
，在(zai)電(dian)感(gan)器(qi)電(dian)流(liu)達(da)到(dao)要(yao)求(qiu)之(zhi)前(qian)
，由(you)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)器(qi)滿(man)足(zu)瞬(shun)態(tai)電(dian)流(liu)要(yao)求(qiu)。

大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)會(hui)暫(zan)時(shi)使(shi)環(huan)路(lu)停(ting)止(zhi)工(gong)作(zuo)。不(bu)過(guo)，在(zai)進(jin)入(ru)和(he)退(tui)出(chu)大(da)信(xin)號(hao)響(xiang)應(ying)之(zhi)前(qian)
，環(huan)路(lu)必(bi)須(xu)提(ti)供(gong)良(liang)好(hao)的(de)響(xiang)應(ying)。環(huan)路(lu)帶(dai)寬(kuan)越(yue)高(gao)，負(fu)載(zai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)就(jiu)越(yue)快(kuai)。

congxiaoxinhaojiaodulaikan
，jinguanwenyahuanlukeyitigongzugoudezengyihexiangweiyudu，danshikaiguanzhuanhuanqizaixianluhuofuzaishuntaiqijianrengrankenengchuxianbuwendingzhuangtaihezhenlingxianxiang。zaixuanzewaibuyuanjianshi
，dianyuanshejigongchengshiyingyishidaozhexiejuxianxing
，fouzeqishejijiuyoukenengyudaomafan。

電感器選型

以圖1所示的基本降壓穩壓器為例，說明電感器的選型。

圖1 TPS6220x基本降壓穩壓器
 

對大多數TPS6220x應用而言，電感器的電感值範圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取決於期望的紋波電流。一般建議紋波電流應低於平均電感電流的20%。如等式1所示，較高的VIN或VOUT也會增加紋波電流。電感器當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電流。
 
以yi增zeng加jia輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo為wei代dai價jia，使shi用yong低di值zhi電dian感gan器qi便bian可ke提ti高gao輸shu出chu電dian流liu變bian化hua速su度du，從cong而er改gai善shan轉zhuan換huan器qi的de負fu載zai瞬shun態tai響xiang應ying。高gao值zhi電dian感gan器qi則ze可ke以yi降jiang低di紋wen波bo電dian流liu和he磁ci芯xin磁ci滯zhi損sun耗hao。

可將線圈總損耗結合到損耗電阻(Rs)中，該電阻與理想電感(Ls)串聯，組成了一個如圖1所示的簡化等效電路。

盡管Rs損耗與頻率有關
，但在產品說明書中仍對直流電阻(RDC)進行了定義。該電阻取決於所采用的材料或貼片電感器的構造類型
，在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲得。RDC的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應當避免長時間超過電流額定值。

線圈的總耗損包括RDC中的耗損和下列與頻率相關聯的耗損分量：磁芯材料損耗(磁滯損耗、渦流損耗);趨膚效應造成的導體中的其他耗損(高頻電流位移);相鄰繞組的磁場損耗(鄰近效應);輻射損耗

可將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用於定義電感器的品質。然而，我們無法用數學方法確定Rs。因此，我們一般采用阻抗分析儀在整個頻率範圍內對電感器進行測量。這種測量可以確定XL(f)、Rs(f)和Z(f)個別分量。
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我們將電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質因素Q，參見公式(2)。品質因素被定義為電感器的品質參數。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質就越低。

品質—頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結構。如測量結果圖2所示，可以將損耗最低(Q值最高)的工作範圍定義為一直延伸到品質拐點。如果在更高的頻率使用電感器，損耗會劇增(Q降低)。

 圖2 品質—頻率圖
 

良好設計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改變電感器的大小/電流和價格/電dian流liu關guan係xi。采cai用yong鐵tie氧yang體ti材cai料liao的de屏ping蔽bi電dian感gan器qi尺chi寸cun較jiao小xiao，而er且qie不bu輻fu射she太tai多duo能neng量liang。選xuan擇ze何he種zhong電dian感gan器qi往wang往wang取qu決jue於yu價jia格ge與yu尺chi寸cun要yao求qiu以yi及ji相xiang應ying的de輻fu射she場chang/EMI要求。

輸出電容器

消除輸出電容器可以在成本和占板空間兩方麵實現節省。輸出電容器的基本選擇取決於紋波電流、紋波電壓以及環路穩定性等各種因素。

輸出電容器的有效串聯電阻(ESR)和電感器值會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
，設計時應當選用ESR盡可能低的電容器。例如，采用X5R/X7R技術的4.7uF到10uF電容器表現為10m(範圍的ESR值。輕負載(或者不考慮紋波的應用)也可以使用容值更小的電容器。

TI的de控kong製zhi環huan路lu架jia構gou使shi您nin能neng夠gou采cai用yong自zi己ji首shou選xuan的de輸shu出chu電dian容rong器qi，同tong時shi還hai可ke以yi補bu償chang控kong製zhi環huan路lu，以yi實shi現xian最zui佳jia的de瞬shun態tai響xiang應ying和he環huan路lu穩wen定ding性xing。當dang然ran，內nei部bu補bu償chang能neng夠gou理li想xiang地di支zhi持chi一yi係xi列lie工gong作zuo條tiao件jian，而er且qie能neng夠gou敏min感gan地di響xiang應ying輸shu出chu電dian容rong器qi參can數shu變bian化hua。

TPS6220x係列降壓轉換器具有內部環路補償功能。因此，必須選擇支持內部補償功能的外部LC濾波器。對於此類器件而言，內部補償最適合16kHz的LC轉角頻率(corner frequency)，即10uH電感器與10uF輸出電容器。根據一般經驗法則

，在選用不同輸出濾波器時，L*C乘積不應當大範圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時

，會造成轉角頻率增加至更高頻率，因此這一點尤為重要。

在從負載瞬態出現到打開P-MOSFET期間，輸出電容器必須提供負載所需的全部電流。輸出電容器提供的電流會造成經過ESR的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR越低，輸出電容器提供負載電流時的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸並且提升TPS62200轉換器的負載瞬態性能，建議采用4.7uH電感器和22uF輸出電容器。