为正确的工作选择合适的稳压器：组件选择

介绍

本应用笔记是关于功率稳压器的三部分系列文章的第3部分。在本部分中，我们将介绍一些稳压器示例，从元件选择到实际设计，并提供基本方程式，以帮助设计人员为应用选择最佳稳压器并优化周围元件。

在为工作选择合适的稳压器：第1部分中，我们讨论了脉宽调制（PWM）转换器的两种稳压器控制方案，即电流模式（CM）和电压模式（VM）。我们还研究了这些控制模式之间的关键差异。在该应用说明中，我们解释了产品应用对于选择合适的稳压器非常重要。

在为工作选择合适的稳压器：第2部分中，我们研究了其他常用的稳压器控制拓扑，并描述了每种拓扑的应用优势。除了 VM 和 CM PWM 控制外，现代稳压器还集成了其他主要控制方案：脉冲频率调制 （PFM）、迟滞和恒定导通时间拓扑 （COT）。在查看了每种方法之后，我们添加了有关辅助控制方法的简短讨论，例如跳过模式。

设计 DC-DC 转换器的基本公式

在深入探讨器件选择和仿真设计示例之前，了解用于选择开关模式转换器电感器和电容的一些基本公式非常重要。

电感器选择

开关转换器的电感选择公式由电感的基本公式推导出来：

DI/DT = ΔV/L

因此：

L = ΔV DT/DI

其中：

di是峰峰值电感纹波电流，定义为LIR ×I外.LIR 的典型值为 0.3。

dt =VOUT/VIN × 1/fSW，其中 f西 南部是转换器的开关频率，

ΔV 是电感两端的电压，定义为 VIN（MAX） - VOUT。
 

综上所述，我们得出：

L = VOUT × (VIN(MAX) –VOUT)/VIN(MAX) × fSW × IOUT(MAX) × LIR

举个实际例子怎么样？假设设计人员需要设计具有以下要求的 DC-DC 稳压器：

IOUT = 2.7A, VIN(MAX) = 12V, and VOUT = 5V.

对于此示例，我们选择 30% 的 LIR 值。入手：

最小值 = 5V × （12V - 5V）/12V × 600kHz × 2.7A × 0.3 = 6μH

对于此设计，最常见的标准值为5.6μH或6.8μH。当电感值为6.8μH时，标称峰峰值电流为0.72A。因此，电感中的峰值电流将为2.7A + 0.5×0.72A = 3.06A。选择电感时，饱和额定值非常重要。我坐（A）额定值必须大于降压转换器的最大电流限值。MAX17504为3.5A稳压器，可考虑用于本设计。根据其数据手册，最大电流限值为5.85A，因此电感I坐（一）额定值必须大于5.85A。

电感选择的另一个重要参数是直流串联电阻（DCR）。设计人员始终面临着电感尺寸与效率的权衡，因为DCR是功率损耗的来源。另一个要考虑的功率损耗是磁芯损耗。两个电感电流额定值是连续的（I有效值）和峰值（I坐IRMS通常指定为产生40°C电感温升的直流电流。 我坐（A）是产生特定电感滚降的峰值电流，指定为与开路值相比减少的百分比;它可以从 5% 到 50% 不等。参考部分的一篇好文章，标题为“轻松估算电源设计中的电感损耗”。1为了解电感中的功率损耗提供了很好的参考。有许多免费的在线电感器设计工具非常有用。一个漂亮的电感选择在线工具来自 Vishay，可在他们的网站上找到。2该工具将计算电感中的所有功率损耗。图 1 是该工具的结果，基于上述示例。线艺3,4还有一些有用的在线工具，可帮助用户选择电感值并计算功率损耗。

图1.Vishay 电感器计算显示结果。图片由 Vishay Intertechnology， Inc. 许可提供。

电容器选择

我们首先简要讨论三种类型的陶瓷电容器，I类，II类和III类，其中I类还包括常见的CGO（NPO）类型。最常见的类型是 X5R、X7R 和 Y5V。在为开关稳压器指定陶瓷电容器时，了解这些类型之间的区别非常重要。电容随温度的变化是一个非常重要的特性，应该加以考虑。表1是根据陶瓷电容器供应商网站的数据汇总的。该表清楚地显示了电容随温度的变化。

 

类型	% δc	温度范围（°C）	公差 （%）
X5R	±15	-55 至 +85	K = ±10
X7R	±15	-55 至 +125	K = ±10
Y5V	+22/-82	-30 至 +85	Z = -20/+80
Z5U	±22/-56	-10 至 +85	M = ±20
非营利组织	±30ppm/°C	-55 至 +125	J = ±5

 

更复杂的是，实际电容值会随着施加的直流偏置而变化。图 2 是教程 5527 中的绘图5关于选择陶瓷电容器。它说明了我们的观点。我强烈建议读者花时间查阅这个包含良好应用数据和良好常识设计示例的实用教程！

图2.温度变化与部分 4.7μF 电容器的直流电压的关系。

选择输入和输出电容器的实用指南

输入电容选择

为什么需要输入电容器？输入滤波电容可降低从电源汲取的峰值电流;它降低了由电路开关引起的输入端噪声和电压纹波。输入电容的均方根电流要求 （IRMS) 由以下等式定义。

IRMS= IOUT(MAX) × SQRT [VOUT × (VIN - VOUT)/VIN]

其中，IOUT(MAX)是最大负载电流。我有效值当输入电压等于输出电压的两倍时具有最大值。在不进行长推导的情况下，我们可以使用电容器的基本方程C = I dv/dt，并导出：

CIN= IOUT(MAX) × D × (1 - D)/n × FSW × ΔVIN

其中：

D 是占空比 = VOUT/VIN

n 是估计的转换器效率

FSW是转换器的开关频率

ΔVIN 表示允许的输入电压纹波。

应该注意的是，输入电压纹波在50%占空比下达到单相转换器的最大值。

输出电容器选择

开关稳压器的输出电容是整体输出性能的关键部分。电感和输出电容构成一个低通滤波器。此外，输出电容的值会极大地影响转换器的输出瞬态响应和环路带宽。

确定输出电容值的第一步是确定负载的性质。这也与电感的选择有关。基本上，电感电流的变化定义为di/dt = ΔV/L。因此，例如，当使用12μH电感的5V输入和1V输出时，100%占空比下的最大电流变化率为7A/μs，如图3所示。这是什么意思？基本上，如果负载阶跃压摆率大于7A/μs，则需要更多的输出电容来为瞬态负载阶跃提供必要的响应。所需的另一个关键信息是允许的最大输出电压变化。使用上面相同的示例，我们可以更进一步。

图3.电感压摆率示意图

根据以下要求计算最大允许输出阻抗：

VIN = 12V, VOUT = 5V

输出电流步长 0.5A 至 2.5A （ΔI = 2A）

最大输出电压偏差 = 50mV

20A/μs 压摆率

所需电容阻抗 = 50mV/2A = 25mΩ。这意味着输出电容的ESR必须为25mΩ或更小。

使用MAX17504数据资料中的COUT公式，可以看到：

COUT= 0.5 ×I 阶跃×响应/ΔV外

其中，响应≈ （0.33/FC + 1/f西 南部);FC是目标闭环交越频率。

需要注意的是，大多数稳压器数据手册都提供了帮助设计人员计算和选择输入和输出电容所需的所有公式。

零件选择和仿真设计

假设X公司正在设计一个具有非常宽工作频率范围的高性能RF前端。输入电压在 20V 至 35V 范围内变化，电路需要 3.3V/2A，5V/2.5A。RF信号链具有非常灵敏的低噪声电路，设计人员希望通过向两个稳压器施加一个外部时钟来控制电源开关谐波的位置。这样，开关频率是相同的，并且彼此同相。拍频可由不同步到同一时钟的转换器产生。拍频和转换器开关谐波可能落在设备的工作范围内，很难消除。

第 1 步：搜索稳压器

使用供应商网站上的参数搜索工具缩小调压阀选择范围（图 4）。

图4.使用供应商的参数搜索表开始调节器搜索。这是Maxim Integrated网站上的搜索示例。

使用以下参数：

VINMAX to > 38V

IOUT > 2.5A

Synchronous switching = yes

现在将类型框切换到内部，然后选中外部同步框。找到两个合适的零件。本设计选用MAX17503。注意，MAX17504也可以以牺牲具有更高电流饱和额定值的电感为代价。查看两份数据资料，MAX17504的峰值开关电流限值典型值为5.1A，而MAX3的峰值开关电流限值典型值为5.17503A。通常，电感的饱和额定值必须高于开关电流限值。因此，对于本例，MAX17503可以允许使用更小尺寸的电感。在参数搜索工具上通常找不到内部开关电流限值，因此必须检查数据手册以确定该值。

步骤 2：模拟设计

根据应用要求仔细考虑后，选择合适的转换器。下一步是选择周围的元件，如功率电感器、输入和输出电容以及用于设置补偿网络的输出电压和元件值的反馈电阻。方便的 EE-Sim 设计工具（图 5）®6是一款免费的电源设计辅助工具，可为新手和经验丰富的电源工程师提供设计和优化稳压器瞬态响应和环路稳定性的便捷方法。

图5.输入设计要求参数。

单击 EE-Sim 仿真工具并输入应用程序参数。然后单击“创建设计”框，该框将提供如下所示的电路图（图6），其中自动选择电感、电容和电阻值。需要注意的是，在选择输入/输出电容值时，请仔细查看 V偏见-与电容的关系曲线，因为实际电容可能会根据施加的电压而降低。电容值可以在EE-Sim中手动更改，以反映实际电容。本教程 5527 中广泛介绍了本主题。5

图6.解决方案原理图。

通过单击“分析”框，EE-Sim 提供了执行稳态、瞬态或交流分析的选项。仿真的一个良好开端是单击“AC 分析”按钮，然后单击“运行分析”框（图 7）以检查稳定性。经验法则是在单位增益处至少有45度的相位裕量。

图7.配置分析类型。

下面的波特图（图8）显示，在交越频率为66.59kHz时，单位增益下的相位裕量为52.2度。

图8.用于测量环路稳定性的波特图。

接下来，我们可以查看时域，看看输出如何响应负载电流的变化。单击瞬态分析按钮。然后，您可以选择电压和电流波形，并使用侯爵变焦来测量输出电压偏差（图 9）。在本例中，对于1.25A负载阶跃，输出降至4.85V，当释放负载阶跃时，电压跳升至5.135V峰值。

图9.瞬态响应仿真。

最后，应该注意的是，还有许多其他波形可供从仿真中查看。只需在右侧的输出框中选择各种信号即可。

总结

希望本应用笔记能为参与选择DC-DC稳压器的工程师提供一个有用的入门演示。

在这个由三部分组成的应用笔记系列的第1部分中，我们首先对电压模式（VM）和电流模式（CM）转换器有良好的基础和基本了解。了解差异很重要，这将有助于工程师在许多供应商提供如此多的选择时做出正确的选择。在这两种类型的转换器之间，性能和成本的权衡得到了很好的解释。在第2部分中，在宽输出负载范围内提高效率的拓扑结构以及解释各种形式的脉冲频率调制（PFM）对工程师提供了进一步的帮助。在便携式设备中，这些拓扑被广泛使用，因此充分了解其操作并权衡是关键。

由于电源管理是一个广泛的主题，因此已经撰写了数千篇论文来研究各种细节级别。有关正确选择电感器、输入电容器和其他元件的其他建议，请参见各种应用笔记和产品数据手册。以下参考资料对那些希望扩展电源设计知识的人很有用。

审核编辑：郭婷