开关电源buck电感、电容选择
目录
- 一、输入电容C~IN~的选择
- 1.1输入电容容值选择
- 1.2 纹波电流(温度有关的量)
- 1.3 额定电压
- 1.4 关于电容的ESR
- 1.5关于C~IN~的摆放问题
- 二、功率电感L的选择
- 2.1 电感值的计算
- 三、C~OUT~的选择
- 四、小工具
在写这篇博客之前,我想开始我的废话文学 “有时候很难把一个东西写的既透彻,又全面,还有针对性。”
我复盘了一下我的学习过程:
1、我们很难只从一本书、一篇博客、一篇帖子、一篇技术文章掌握到全面的知识。
2、所以要多方面收集关于细节方面的知识,并且用自己的语言整理和归纳。最后这篇帖子可能不满足全面、清晰的要求,但是它是你在整个学习过程中,针对自己之前掌握知识 最好的 补充。所以,笔记这个东西看别人的是没有用的,而即使自己写了不看,也比不写 会让你进步的更快。
3、推翻第二条(都说了是废话文学),希望我的这篇博客,大家看完后有收获,能进步。O(∩_∩)O
好了,我们进入正题了。
开关电源buck的工作电路原理图如下:
要强调一点,在下面的纹波的分析中,是在电路稳态的条件下。这点一定要时时刻刻记在脑袋里。可能大家有疑惑,既然是稳态,为什么有纹波呢?举个例子,震荡电路的稳态是什么?是幅值和周期都恒定的正弦/方波信号。所以恒定的纹波就是稳态。
那么第二个问题:纹波从哪里来?本质是开关管的两种工作状态,更为本质是我们要降压。既然使用DC-DC,那么纹波不可消灭,只能尽可能降低。这是这个电路的基因。如何尽可能降低?那就是选择合理的感值、容值及其合理的其他特性参数,e.g. ESR ESL DCR 等。电路如何安全、可靠的工作?这就涉及到额定值:对电容来说就是额定电压、额定纹波电流;电感来说就是饱和电流、温升电流。
一、输入电容CIN的选择
为什么要加输入电容?
答:为了降低输入电压纹波。降低输出纹波,稳定输出电压。
在存在CIN的条件下,合理的选择CIN的值,使输入电压纹波降低带来的好处?
答:①减小电容上的功率消耗;②增加电容的使用寿命。
输入电压纹波与选择CIN 的ESR直接相关。而输入的电压纹波来源于电容上的纹波电流。所以我们要先分析电容的纹波电流。电路有两种工作状态:开关管的ON 或者OFF 状态。其实在下面的分析中,所有参数的都要分析开关管的ON/ OFF状态。
下面这一组图片的每一个波形,我希望大家都能够仔细的分析。
我们先分析输入纹波电流,所以先只用看上图的ICIN
1、当Q1 导通期间(ON)时,输入电流Iin和CIN 同时给输出端提供电流;
2、在Q1关断期间(OFF),输入电流仅仅给CIN充电。
那么充电和放电电流是多少呢?
答:见下图↓↓
以上分析时,可以假定IIN和IOUT几乎恒定的条件去分析。很容易得出上述的关系式。为什么可以这么假定?IOUT比较好理解。那么IIN呢?为什么是恒定呢?因为电路在动态平衡时,能量守恒。是不是很简单粗暴??那怎么去理解电路的动态平衡?就是电路的电感和电容在开关ON & OFF的周期内,储能=放能。那么电路的净消耗就由源端VIN提供。
1.1输入电容容值选择
根据开关ON/OFF时,电容的充放电平衡可以得到:
理论上,上面的公式只给出了CIN的最小值要求。对于稳态平衡状态来说,可以改变的参量并不多,IO和D都是几乎不变的,所以上述公式建立输入电容和输入纹波电压之间的关系式。
洁仔遇到过的调试问题:
因为CIN不够,导致上电后输出电压持续下降的现象。原因就是输入电容容值过小,在充电时没有存储足够的能量,导致开关管开启以后,供流不够,导致电压下降。
比如ST的一款DC-DC芯片:ST1S06,在数据手册里面写输入电容可以大,而且没有限制。
在CIN容值确定时,需要考虑以下几点:
1、偏压效应(DC bias voltage) 参考文章电容的偏压效应(仅仅针对陶瓷电容),尤其当电压比较高时,偏压效应会导致容值的大幅减小,电解电容和钽电容不存在这个问题;
2、容值的精度范围;±10% or ±20%
3、电容的温度曲线;X5R 和 X7R都是±15%,两者温度范围有所不同。Z5U是-56%~+22%,还要注意一点,电容的温度曲线不是单调的。
总之,要将所有影响容值的因素都要考虑进去,然后保证在最恶劣的条件下,选取的电容值仍然≥CINmin
1.2 纹波电流(温度有关的量)
现推导流经输入电容纹波电流的有效值:
这是流经电容的电流波形↓↓
虽然电容两端的电压是稳定的,但是留经电容的电流是脉动的。
纹波电流的定义在额定温度下,达到一定温升(比如10℃或者5℃)时对应的电流。电容的温度上升是由于ESR导致的。那么为什么关注纹波电流?因为温度上升导致电容长时间工作于最大管芯温度(甚至是超过),这会大大缩短电容的使用寿命,从这个意义来说,这是一个与可靠性有关的量,即使选型不当,问题也不会立刻暴露出来。
纹波电流也需要一定的裕量,也就是降额。一般来说比例系数:85%-100%。
如果单个电容不能满足设计要求,可以使用多个电容并联,这样可以使单个电容上的脉动电流降低。
1.3 额定电压
一个直觉的反应是:电容的额定电压由输入电压决定,但为了电路安全稳定可靠地工作,一般在标定的额定电压下降额使用。降额多少这是个问题。
从上面看出MnO2钽电容是降额比较多的,在使用时一定要注意。
1.4 关于电容的ESR
如果电容是理想电容,那么电容的电压是不能突变的。但是实际的电容由于寄生,都会存在ESR。那么当流经电容的电流大小和方向变化时,其两段的瞬时电压其实是会变化的。比如:
以及下面这个实验:
从上面的波形可以看到:
1、三角波的产生是由于电容充放电导致的;
2、三角波上叠加的阶跃变化,是由于ESR;
3、毛刺和尖峰的产生,是由于ESL
所以说,输入电容的ESR会直接影响输入的电压纹波。
所以输入电压纹波由两部分影响:1、电容的充放电导致DC-DC芯片输入端口电压的波动;2、电容的ESR。
CIN越大,当然纹波电压越小;但当增加到一定程度后,ESR的作用开始明显。
那么什么类型的电容的ESR比较小呢?这是我们需要关心的问题。
最毋庸置疑的当然是多层陶瓷电容MLCC的ESR是最小的,但是MLCC也有一定的缺点:大容量(一般就是大封装)的MLCC的机械性能不好,易产生裂纹导致电容失效,还有就是偏压特性导致容量下降等。
那是不是铝电容或者钽电容就一定不能选呢?
用多聚合物做电解电容的阴极,可以极大的降低电解电容ESR。至于降低多少,取决于多聚合使用的材料,比如PPY(聚吡咯),其电导率是电解液的10000倍,可达100S/cm。使用该工艺制作的铝电容,具有极低的ESR(可以与MLCC相差无几),所以降纹波能力强,可以允许通过更大的纹波电流;而且频率变化时,容量比较稳定。
因为制作工艺的不同,高分子聚合物的铝电容,每层铝箔都与电极短接;而高分子的钽电容的阳极只有一根钽丝(与MnO2钽电容类似),所以高分子聚合物的钽电容的ESR还是相对较高。
不同类型的电容的ESR比较,附图如下:
1.5关于CIN的摆放问题
靠近regulator输入电压引脚放置大电容。原谅我懒,不愿意画图
二、功率电感L的选择
说一个与电感有关的buck电源(根据流经电感的电流变化)的分类:
CCM:连续导通模式
BCM:临界导通模式
DCM:断续导通模式
FCCM:强制连续导通模式,电流可以为负的,也就是COUT对电感反向充电,一般来说FCCM模式出现在对效率要求不高,但对纹波要求较高,且负载调节能力较强的场合。
2.1 电感值的计算
先介绍一个概念“伏秒平衡”
当电路稳定以后,一定有电感的储能=电感的释能,那么一定有△ION= △IOFF
在开关管ON/OFF两种状态下,电感上的电压几乎为方波,积分式简化乘积式。
以上就是伏秒平衡的公式。
电流的纹波△I:
假设流经电感的电流纹波比r:r=∆I/I0
其中I0是输出电流。
其中U:开关ON时,电感两侧的电压。对于不同的拓扑结构,计算方式也不同。对buck电路来讲U=VIN-VOUT
对公式的理解:
1、r:是指流经电感的电流纹波比,而不是输出的纹波比,L越大,r越小;
2、输出电流越大,L越小;即在轻载模式下,应该增加L的感值。
功率电感的手册给出的指标参数:
1、电感值:测试电压、测试频率、精度
2、DCR:最大值、典型值
3、SRF
4、ISat:饱和电流,值电感值下降到一定比例后(比如30%)对应的电流大小;
5、Irms:温升电流,也叫应用额定电流,指表面达到一定温度对应的DC的值;
6、Irat:额定电流,并不是所有的厂家都会给出这个指标,而且缺乏统一的标准,该指标容易对工程师构成一定的误导。
注:不同的厂家对指标的定义是不同的,一定要看指标的定义。
三、COUT的选择
关于Cout的选择,之前这一部分一直没有写,因为我自己也没有理解。后面我看了一篇知乎文章,手撕Buck!Buck公式推导过程…写的很好!
(为了这篇博客的完整性,我还是将这一部分的内容补齐)
其实在前面的分析中,我们可以知道,流过电感的电流是三角波,但为了使负载RL上的电流恒定,流过电容上的电流也应该是三角波,两者互补,使得输出电流恒定。
有:
1、输出电容的电流变化=功率电感的电流变化△IL
2、电容充放电的时间一样,都是开关周期的一半(T/2)
整个充放电的电荷:
其中:∆IL为电感的电流的纹波;
1) 由电容容量引起的纹波:
将∆IL的表达式带入得:
2) 由ESR引起的纹波
一般来说,由ESR引起的纹波波动不会超过整个纹波的20%。
四、小工具
最后的最后,推荐一个超好的免费小资源,由TI公司提供。“buck稳压器参数计算”
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