如何為便攜式系統選擇電容和電感元件

因此,請記住應該向廠商索取在應用的預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,系統設計人員必須查看2.5V時的直流偏置。使開關穩定性最好的最小電容值可在開關的規格說明書中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單(BOM)的電容雙重來源時,廠商間的差異也必須考慮到。

上述決策不應該留給采購人員,除非他們能給出很好的建議。電容器生產商往往喜歡出示單獨的曲線,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,他們不會同時給出兩條,但實際應用恰恰需要兩條。應該記住向生產廠商索要系統最常用電壓的綜合曲線。

例如,基帶內核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤驅動器使用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,必須考慮到輸入電壓范圍。對鋰離子電池而言,這個范圍為3 到 4.3V,當插入充電器時,可高達5.5V。

從系統的角度來看,阻抗/ESR與頻率的關系曲線也很重要。用于2MHz開關的電容可能并不適合于5MHz開關。開關設計中,電容的諧振頻率是一關鍵規格參數。當開關頻率接近輸出電容的諧振頻率時,輸出電壓紋波最小。

例如,4.7μF和10μF 0603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,阻抗實際上是電感性的。如果沒有正確的補償,將產生穩定性問題,且開關的紋波增加。最后但并非不重要的是,陶瓷電容的生產容限是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規定/測試的,但實際應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。對一個典型的開關,紋波電壓范圍為5到30mV。

設計人員在考慮無源器件時,他們想到的是電感電容的生產容限,一般為± 20% 或±10%。這在理論上是對的,但在實際應用中卻不然。本文介紹電容電感易受影響的一些參數以及系統設計人員必須了解的知識,并討論如何為最小但最高效的便攜式電源系統解決方案選擇外部元件。

選擇電感

為便攜式電源應用選擇電感,需要考慮的最重要的三點是：尺寸大小、尺寸大小,第三還是尺寸大小。移動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,尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此,以前一直由線性調節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。實現更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉換器。正如其名稱所暗示的,這時需要一個電感。

電感的主要規格除尺寸大小外,還有開關頻率下的電感值、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。根據應用的不同,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。在相關溫度范圍內電感值與直流電流的關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%時的直流電流。某些電感生產商沒有規定ISAT。他們可能之給出了溫度高于環境溫度40 ?C時的直流電流。

DCR引起傳導損耗,在輸出電流較高時影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加,在輸出電流較小時影響占主導地位的開關損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下,低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其它規格時,為什么系統設計人員還應考慮ESR和Q因子呢？

當開關頻率超過2MHz時,必需格外關注電感的交流損耗。規格說明書中列出比較的不同廠商的電感的ISAT和DCR在開關頻率下可能有極為不同的交流阻抗,導致輕負載下顯著的效率差異。這一點對提高便攜式電源系統中電池的壽命至為重要,因為系統大部分的時間是處于睡眠、待機或低功率模式下的。

由于電感生產廠商很少提供ESR和Q因子信息,設計人員應該主動向他們索取。廠商給出的電感與電流關系也往往只限于25 ?C,故應該索取工作溫度范圍內的相關數據。最壞情況一般是85 ?C。

圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關系。考慮一個降壓轉換器的例子,其規格參數如下：FSW=2MHz,VIN=5.5V,L=2.2 μH,VOUT=1.5V,I=0 到600MA,ΔI=289MA (計算值)。

參見圖3,2.2μH額定電感在低頻下的DCR為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算：

DC損耗=I2×DCR

AC損耗=(dΔI2)/12×ESR