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标题: 合理选择DC/DC转换器的外部元件 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-11 12:35
标题: 合理选择DC/DC转换器的外部元件
过去数十年来，电子产品的发展可谓一日千里。以个人通信设备为例，由最初的奢侈品到现在的广泛普及，电子产品无论从重量、体积还是效率，都有了翻天覆地的变化。但是不论电子产品变化多快，种类多么繁多，电源—这一电子产品的“动力”装置，往往很容易被很多电子工程师所忽视。本文便以 MAX8640Y/Z为例，重点阐述DC/DC转换器外围器件如何选取以及电路设计的注意事项。

DC/DC转换器的选择

当今电子设备正朝更轻更薄更小巧的方向发展，采用小型封装，例如SOT23、TDFN或者SC70等封装的器件正越来越受到设计人员的青睐。

对于DC/DC转换器而言，工作频率越高，所要求的外部元件，比如电感以及电容值就越低，尺寸就越小。但MOSFET的开关损耗也与开关频率成正比。因此，选择的开关频率应该折衷考虑物理尺寸和转换效率。

以Maxim公司提供的MAX8640Y/Z为例，该系列器件采用SC70封装，工作在4MHz/2MHz的开关频率下，能够在500mA 的输出电流下保证高效率。该器件适合用于为微处理器或DSP内核供电，或者用于I/O供电。所采用的SC70封装仅为2mm×2.1mm，是业界尺寸最小的解决方案。

转换器外围器件的选取以及布局

这里包括输出电感值的选择，电感类型的选择，续流二极管的选择（对于非同步整流转换器而言），输入/输出电容的选择。

1 首先是电感的选择

对于便携设备来说，电感所占的空间往往最大，同时也增加了开关调节器的成本。电感值越小，电感的物理尺寸就越小，瞬态相应就越快，但同时也将产生较大的纹波电流，从而降低调节器的效率，也使输出电压的纹波变大。理论中，最小的电感值应使电路工作在临界传导状态，即负载电流最大时电感电流在每个周期正好回零。实际应用中，通常结合LIR（电感纹波电流与设计的最大负载电流之比）、输入/输出电压、工作频率以及最大负载电流选择电感值。通常建议将LIR值选取介于20%～50%之间。可以参考公式1选择电感的值。

(1)

其中，VIN为输入电压，VOUT为输出电压，f为转换器的开关频率，LIR为电感纹波电流与设计的最大负载电流之比，ILOAD(MAX)为最大负载电流。

另外，除了电感值，电感的类型也是优化电路设计所必须考虑的一个关键所在，这也是手机制造商成本的关键所在。以目前手机中常用的绕线电感和叠层电感为例，叠层电感相比饶线电感而言，具有较大的成本优势，且尺寸上比线绕电感要小50%以上。另外，在满足尺寸和电感值要求的前提下，应选择电感直流阻抗尽可能小的电感，以降低电感的直流损耗。

此外，电感磁芯材料也是选择电感时应该加以考虑的重要因素。常用的磁芯材料分为两大类，一类是粉状磁芯，以铁粉芯、High Flux高磁通磁粉芯以及Kool Mμ为代表；另一类是铁氧体磁芯。两种磁芯材料各有优缺点，设计人员在选择的时候，应根据成本、性能、尺寸等因素综合考虑进行选择。相对粉状磁芯电感，铁氧体磁芯的电感具有较低的磁芯损耗，同时具有较高的开关频率（高达MHz）。因此，铁氧体磁芯通常是此类应用的最佳选择。当然，铁粉磁芯也有其优越性，例如铁粉磁芯的成本相对铁氧体要低得多；另外，粉状磁芯的电感随着流过电感的直流偏置电流的变大要下降得缓慢些，相当于具有“软”饱和特性，而铁氧体磁芯的电感值在饱和以后就会迅速下降（见图1），因此在设计的时候需要留有更多的余量，防止电感出现饱和。如图1所示，粉状磁芯的电感值随着负载电流的增大下降相对缓慢。铁粉磁芯往往是用于一些对功耗要求不甚敏感，开关频率也不高（<200kHz），但注重成本的应用场合。

2 输出电容的选择

选择输出电容应考虑到两点。一是输出电容的容值；二是输出电容的等效串联电阻（ESR）。电容应具有一定的容值，以确保输出的稳定。ESR 必须足够低，以降低输出电压的纹波。参考公式2。输出电容的ESR大小取决于能接受的输出纹波电压。降压控制器的纹波电压大小大约等于输出电容的ESR乘以电感的纹波电流。

实际选取电容时，除了与满足低ESR要求所需要的物理尺寸有关外，还与电容器的化学类型有关。因此，通常在选择电容时，首先应考虑的是ESR和额定电压值，而不是容值的大小（这一原则是用于钽、OS-CON和其他类型的电解电容）。

(2)

同时，电容的ESR还不能太低，必须保证ESR足够高以满足稳定性的要求，还应保证ESR零点远低于开关频率。鉴于陶瓷电容的低ESR特性，很多应用中都推荐采用。

3 输入电容的选择

输入电容可以降低电源侧的电流尖峰以及IC的开关噪声。输入电容的阻抗应尽可能小。建议采用陶瓷电容，因为陶瓷电容具有很小的尺寸以及很低的ESR。

4 整流二极管

对于非同步整流的DC/DC转换器，整流二极管的压降上将产生比较大的功率损耗，因此，为了提高效率，应该选择具有超低正向压降的肖特基二极管。

图2 MAX8640Z针对手机应用中SDRAM供电的应用电路

图2给出了MAX8640Z针对手机应用中SDRAM供电的应用电路，该电路设计能够输出1.8V电压，可提供100mA的最大输出电流。电容选择Taiyo Yuden的LB1608T1R0M或LBMF1608T1R0M，输入/输出电容选择TDK的C1005X5R0J105K，所有器件所占的总面积等于 2mm×2.1mm（SC70的尺寸）+1.6mm×0.8mm（电感的尺寸）+2×1.0mm×0.5mm（输入/输出电容的尺寸）=6.48mm2，比现有解决方案节省超过25%的面积。

结论

DC/DC转换器的外围元件选取，直接关系到电路的电气性能（包括电压输出纹波、输出带载能力、功耗）、体积、成本等多方面因素。因此必须在设计初期就应该对电源的要求有清晰的了解，为设计留下充足的余量。

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