【導讀】本文是係列文章中的第一篇，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DCkaiguanwenyaqidegonglvjishejizhongmianlindefuzananti，zhongdianfenxidianganwenti。shejirenyuanweilehuodegezhongyoushi，lirujianshaoshuchuwenbohejinliangsuojianjiejuefanganchicun，wangwanghuixuanzechaochutuijianfanweidedianganzhi。

問題

為什麼我的電源會出現振鈴和過熱
？

回答

電感器尺寸不當和超出電感飽和電流額定值可能會導致DC-DC轉換器出現多種問題，其中兩個問題是振鈴和過熱。

摘要

本文是係列文章中的第一篇
，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DCkaiguanwenyaqidegonglvjishejizhongmianlindefuzananti
，zhongdianfenxidianganwenti。shejirenyuanweilehuodegezhongyoushi，lirujianshaoshuchuwenbohejinliangsuojianjiejuefanganchicun
，wangwanghuixuanzechaochutuijianfanweidedianganzhi。然而
，選擇電感值過大或過小的元件都會導致意想不到的後果，可能會造成芯片嚴重損壞並降低效率。本文還將分析探討：如果不采取適當的措施

，確保負載電流不會超過電感的最大飽和額定值
，會出現什麼情況。

什麼是開關模式電源

SMPS是一種高效穩壓器
，可降低輸入電壓（降壓轉換器）、升高輸入電壓（升壓轉換器）
，或同時執行這兩種操作（降壓-升壓轉換器）。圖1所示為基本開關轉換器拓撲。

圖1.常見的SMPS拓撲及其輸出公式。

每個SMPS都以同樣的方式工作：將能量存儲在電感器中
，並利用脈寬調製(PWM)技(ji)術(shu)來(lai)獲(huo)得(de)所(suo)需(xu)的(de)輸(shu)出(chu)。這(zhe)些(xie)轉(zhuan)換(huan)器(qi)都(dou)應(ying)遵(zun)循(xun)伏(fu)秒(miao)平(ping)衡(heng)定(ding)律(lv)，即(ji)在(zai)穩(wen)態(tai)下(xia)工(gong)作(zuo)時(shi)，電(dian)感(gan)在(zai)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)內(nei)的(de)平(ping)均(jun)電(dian)流(liu)必(bi)須(xu)為(wei)零(ling)。因(yin)此(ci)，電(dian)感(gan)器(qi)必(bi)須(xu)在(zai)另(ling)一(yi)個(ge)周(zhou)期(qi)開(kai)始(shi)之(zhi)前(qian)
，將(jiang)充(chong)電(dian)階(jie)段(duan)存(cun)儲(chu)的(de)所(suo)有(you)電(dian)流(liu)放(fang)電(dian)。

降壓轉換器操作

本文僅使用降壓轉換器來演示常見的設計錯誤。降壓轉換器的功率級由以下四個元件組成：電感器、輸出電容器


、頂部FET（由開關表示）和底部FET（由二極管表示），見圖2。

圖2.簡化的降壓轉換器功率級。

電感器兩端的電壓通過以下公式計算：VL = L diL/dt。該電壓是開關節點與輸出電壓之間的差值。當頂部FET導通時，VL是輸入電壓和輸出電壓之間的差值。當頂部FET關斷時，由於開關節點接地
，因此差值為0 V減去輸出。diL/dt（或∆iL）是電感電流隨時間的變化量，通常稱為電感電流紋波。當頂部FET閉合（底部FET斷開）時，隨著流經電感器的電流增加
，電感器以磁通量的形式存儲能量。當頂部FET斷開，磁場消失時，底部FET會形成接地路徑，從而使電流在減小時仍能夠流向負載。圖3所示的電感電流波形中可以看出這一點。輸出電容用於獲得平穩的輸出紋波
，並協助保持所需的輸出電壓。降壓轉換器的輸出電壓由VOUT = DVIN得出

，其中D是占空比，定義為頂部FET導通並對電感器充電的時間占總周期時間的百分比。

圖3.電感電流波形。當頂部FET導通時，流經電感器的電流充電；當頂部FET關斷時
，流經電感器的電流放電。

推薦的電感器尺寸

在設計SMPS時
，必須選擇正確的電感值
，以確保電感電流紋波(ΔiL)在可接受範圍內。建議降壓轉換器的電感紋波應介於所施加負載電流的30%至40%zhijian。tongchangrenweicifanweibijiaolixiang
，jizuyibuhuozhunquedexinhaobingjiangqichuansongdaodianliumoshikongzhifankuixitong，youbuhuiguoda，daozhidianyuanjinruduanxudaotongmoshi(DCM)。DCM是一種狀態，在該狀態下，因電流紋波太大而迫使電流低於0 A
，以便將負載電流維持在所需值。然而，一旦達到0 A
，FET內部的二極管就不再導通，從而防止電流降至0 A以下。一般基於以下公式來正確選擇電感：

此公式表明，開關頻率與電感成反比，這意味著頻率越高，充電時間就越短，從而可以使用更小的電感實現正常操作（節省占用空間和成本）。

電感器飽和

在SMPS設she計ji中zhong，常chang見jian的de一yi種zhong災zai難nan性xing錯cuo誤wu就jiu是shi在zai選xuan擇ze功gong率lv電dian感gan時shi忽hu略lve了le電dian流liu飽bao和he額e定ding值zhi。當dang流liu經jing電dian感gan的de電dian流liu超chao過guo飽bao和he電dian流liu額e定ding值zhi時shi
，電dian感gan器qi鐵tie芯xin飽bao和he
，這zhe意yi味wei著zhe產chan生sheng的de磁ci場chang將jiang不bu再zai與yu消xiao耗hao的de電dian流liu成cheng比bi例li地di增zeng加jia。這zhe會hui破po壞huai伏fu秒miao平ping衡heng定ding律lv，導dao致zhi電dian感gan電dian流liu紋wen波bo和he輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo失shi去qu線xian性xing特te性xing。當dang鐵tie芯xin飽bao和he時shi，電dian感gan值zhi會hui迅xun速su降jiang低di，其qi行xing為wei更geng像xiang電dian阻zu而er不bu是shi電dian感gan。由you於yu電dian感gan器qi的de有you效xiao串chuan聯lian電dian阻zu(ESR)zengjia，ershijidianganjianxiao，yinci

，weilemanzufutemiaopingheng
，dianliubianhualiangjiangbeipozengjia。zaibaohedianliuboxingzhongguancedaojianfengshidianliuxielvchengzhishuzengjiazaochengde，rutu4所示。該電流尖峰會影響輸出電壓，從而導致更多噪聲和電壓尖峰，如圖5所示。如果電壓尖峰過大，超過下遊元件的最大電壓額定值，噪聲和電壓尖峰可能會損壞下遊元件
，並降低EMI性能。

圖4.飽和電感電流波形。波形在電流超過飽和額定值之前表現正常。

圖5.飽和電感輸出紋波。尖峰會延續到輸出，其中包含噪聲和電壓尖峰。

此外
，在電流波動較大的情況下
，電感器會經曆快速磁滯損耗，從而導致電感器散熱過多（如圖6所示）並產生可聞噪聲。過多的熱量可能會損壞附近的其他元件（尤其是穩壓器芯片本身）。

圖6.電感器飽和散熱溫度為226°F (107.78°C)。

為(wei)避(bi)免(mian)出(chu)現(xian)此(ci)問(wen)題(ti)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)應(ying)選(xuan)擇(ze)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)至(zhi)少(shao)比(bi)預(yu)期(qi)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)高(gao)兩(liang)倍(bei)的(de)電(dian)感(gan)器(qi)。在(zai)計(ji)算(suan)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)時(shi)


，一(yi)定(ding)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)紋(wen)波(bo)以(yi)及(ji)輸(shu)出(chu)端(duan)消(xiao)耗(hao)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)。此(ci)外(wai)，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)還(hai)可(ke)以(yi)參(can)考(kao)所(suo)選(xuan)電(dian)感(gan)器(qi)的(de)數(shu)據(ju)手(shou)冊(ce)，了(le)解(jie)在(zai)多(duo)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)電(dian)感(gan)值(zhi)會(hui)降(jiang)低(di)10%到30%，這就是飽和的定義。選擇具有適當飽和電流額定值的電感器將會使係統正常運行
，如圖7中流經電感器的線性電流所示。輸出電壓尖峰將會消失，如圖8所示。最後
，係統將在更低的溫度下運行（如圖9所示），從而減少對設備的影響並延長設備的使用壽命。

圖7.標稱電感電流波形。

圖8.標稱電感輸出紋波。

圖9.標稱電感散熱溫度為99.7°F ( 37.61°C)。

超小電感器麵臨的難題

shejirenyuantongchangweilejieshengzhanyongkongjiangengqingxiangxuanzedianganzhijiaoxiaodediangan

，zheyangdedianganqixianquanshuliangjiaoshao，yinciwaixingchicunjiaoxiao。raner，ruguodianganqitaixiao，wenbodianliujiuhuihenda，binghuiposhizhuanhuanqijinruDCM模式，這對於SMPS來說是不可取的，因為器件的效率會降低，電磁幹擾(EMI)性能也會變差。當開關節點出現振鈴時，可能會觀測到這種EMI性能下降現象，這是由寄生效應和LC諧振電路（產生諧振電路）引起的，如圖10所示。這種振鈴會影響輸出電壓，從而導致更大的紋波和更多的電壓尖峰，如圖11所示。此外，電源不再處於連續導通模式(CCM)
，並且推導出的SMPS輸出公式不再適用。

圖10.超小電感輸出波形。如果無法獲得電感電流，也會在開關節點處觀測到振鈴現象。

圖11.超小電感電流波形。電流和RSENSE中出現振鈴表明電源處於DCM模式。

為了解決此問題
，設計人員應選擇能夠提供約30%至40%電流紋波的電感。這樣就會降低電感電流紋波的幅度，使器件從DCM返回CCM模式，如圖12所示。這也會改善輸出電壓紋波
，消除電壓尖峰
，如圖8所示。如果設計人員在計算所需電感值和選擇適用元件時遇到困難，可以使用LTPowerCAD來協助設計和選擇功率級元件。

圖12.標稱電感電流波形。

超大電感器麵臨的難題

連接到SMPS的de下xia遊you電dian子zi元yuan件jian通tong常chang具ju有you指zhi定ding的de電dian源yuan電dian壓ya和he相xiang關guan容rong差cha。如ru果guo電dian壓ya軌gui上shang的de紋wen波bo過guo大da，將jiang嚴yan重zhong影ying響xiang係xi統tong的de運yun行xing。例li如ru，如ru果guo微wei控kong製zhi器qi的de電dian源yuan規gui格ge為wei3.3 V ±50 mV，則紋波大於±50 mVkenenghuidaozhiweikongzhiqiguanbi。shejirenyuanyibantongguozengjiadianganqidechicunlaijianshaozhezhongwenbo。raner，ruguodianganqichicunguoda

，dianliuwenboyijishuchudianyawenbohuixianzhujianshao。jinguanzhetingqilaikequ，dantahuidaozhifankuixitongchuxianwenti，erqiehaihuidaozhishuntaixiangyingbianman。xiaowenbojiangshichuanlianjiancedianzuhennanjiancedaobianhua，congershichuandidaofankuihuanludechangjiansanjiaoboxingshizhen。dangdiangandianliuwenbojiaoxiaoshi
，xinzaobi(SNR)會降低。這會導致反饋環路將噪聲記錄為電感器信號，從而導致輸出信號不穩定（表現為抖動），如圖13所示。

圖13.輸出不穩定造成抖動。超大電感輸出波形表現出持續特性。突出顯示的波形采用標稱電感捕獲。

此外

，電感值越大，飽和電流額定值通常越小。這可能會導致電感飽和
，對於器件而言非常危險，如“電感器飽和”部分所述。超大電感飽和帶來的影響如圖14所示。

圖14.電感值為標稱值22倍的電感器的飽和電感輸出波形。額定電流不會隨電感成比例增加。

為了緩解此問題，設計人員切記
，輸出電壓紋波可通過改變輸出電容選擇來控製。通過增加輸出電容器的值或降低其ESR，可以減少輸出電壓紋波，而無需增加電感器的值。這樣電感電流紋波值保持在30%到40%之間
，從而使檢測架構能夠正確獲取信號。這一點可以從圖15中看出。

圖15.標稱檢測電阻波形。

結論

本ben文wen可ke作zuo為wei分fen析xi降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi中zhong電dian感gan器qi設she計ji問wen題ti的de指zhi南nan。此ci外wai

，本ben文wen旨zhi在zai為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong實shi用yong解jie決jue方fang案an，避bi免mian出chu現xian文wen中zhong所suo述shu的de任ren何he幹gan擾rao行xing為wei。通tong過guo適shi當dang調tiao整zheng電dian感gan大da小xiao
，將jiang電dian感gan紋wen波bo保bao持chi在zai輸shu出chu的de30%至40%範圍內
，對於確保器件保持在CCM狀態
，並且不會引起幹擾抖動或飽和至關重要，這種抖動或飽和可能會對負載或穩壓器芯片本身造成致命影響。

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