|
去數十年來，電子產品的發展可謂一日千里。以個人通信設備為例，由最初的奢侈品到現在的廣泛普及，電子產品無論從重量、體積還是效率，都有了翻天覆地的變化。但是不論電子產品變化多快，種類多么繁多，電源—這一電子產品的“動力”裝置，往往很容易被很多電子工程師所忽視。本文便以 MAX8640Y/Z為例，重點闡述DC/DC轉換器外圍器件如何選取以及電路設計的注意事項。 DC/DC轉換器的選擇 當今電子設備正朝更輕更薄更小巧的方向發展，采用小型封裝，例如SOT23、TDFN或者SC70等封裝的器件正越來越受到設計人員的青睞。 對于DC/DC轉換器而言，工作頻率越高，所要求的外部元件，比如電感以及電容值就越低，尺寸就越小。但MOSFET的開關損耗也與開關頻率成正比。因此，選擇的開關頻率應該折衷考慮物理尺寸和轉換效率。 以Maxim公司提供的MAX8640Y/Z為例，該系列器件采用SC70封裝，工作在4MHz/2MHz的開關頻率下，能夠在500mA 的輸出電流下保證高效率。該器件適合用于為微處理器或DSP內核供電，或者用于I/O供電。所采用的SC70封裝僅為2mm×2.1mm，是業界尺寸最小的解決方案。 轉換器外圍器件的選取以及布局 這里包括輸出電感值的選擇，電感類型的選擇，續流二極管的選擇（對于非同步整流轉換器而言），輸入/輸出電容的選擇。 1 首先是電感的選擇 對于便攜設備來說，電感所占的空間往往最大，同時也增加了開關調節器的成本。電感值越小，電感的物理尺寸就越小，瞬態相應就越快，但同時也將產生較大的紋波電流，從而降低調節器的效率，也使輸出電壓的紋波變大。理論中，最小的電感值應使電路工作在臨界傳導狀態，即負載電流最大時電感電流在每個周期正好回零。實際應用中，通常結合LIR（電感紋波電流與設計的最大負載電流之比）、輸入/輸出電壓、工作頻率以及最大負載電流選擇電感值。通常建議將LIR值選取介于20%～50%之間。可以參考公式1選擇電感的值。 其中，VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，f為轉換器的開關頻率，LIR為電感紋波電流與設計的最大負載電流之比，ILOAD(MAX)為最大負載電流。 另外，除了電感值，電感的類型也是優化電路設計所必須考慮的一個關鍵所在，這也是手機制造商成本的關鍵所在。以目前手機中常用的繞線電感和疊層電感為例，疊層電感相比饒線電感而言，具有較大的成本優勢，且尺寸上比線繞電感要小50%以上。另外，在滿足尺寸和電感值要求的前提下，應選擇電感直流阻抗盡可能小的電感，以降低電感的直流損耗。 此外，電感磁芯材料也是選擇電感時應該加以考慮的重要因素。常用的磁芯材料分為兩大類，一類是粉狀磁芯，以鐵粉芯、High Flux高磁通磁粉芯以及Kool Mμ為代表；另一類是鐵氧體磁芯。兩種磁芯材料各有優缺點，設計人員在選擇的時候，應根據成本、性能、尺寸等因素綜合考慮進行選擇。相對粉狀磁芯電感，鐵氧體磁芯的電感具有較低的磁芯損耗，同時具有較高的開關頻率（高達MHz）。因此，鐵氧體磁芯通常是此類應用的最佳選擇。當然，鐵粉磁芯也有其優越性，例如鐵粉磁芯的成本相對鐵氧體要低得多；另外，粉狀磁芯的電感隨著流過電感的直流偏置電流的變大要下降得緩慢些，相當于具有“軟”飽和特性，而鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會迅速下降（見圖1），因此在設計的時候需要留有更多的余量，防止電感出現飽和。如圖1所示，粉狀磁芯的電感值隨著負載電流的增大下降相對緩慢。鐵粉磁芯往往是用于一些對功耗要求不甚敏感，開關頻率也不高（＜200kHz），但注重成本的應用場合。 圖1 鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會迅速下降 2 輸出電容的選擇 選擇輸出電容應考慮到兩點。一是輸出電容的容值；二是輸出電容的等效串聯電阻（ESR）。電容應具有一定的容值，以確保輸出的穩定。ESR 必須足夠低，以降低輸出電壓的紋波。參考公式2。輸出電容的ESR大小取決于能接受的輸出紋波電壓。降壓控制器的紋波電壓大小大約等于輸出電容的ESR乘以電感的紋波電流。 實際選取電容時，除了與滿足低ESR要求所需要的物理尺寸有關外，還與電容器的化學類型有關。因此，通常在選擇電容時，首先應考慮的是ESR和額定電壓值，而不是容值的大小（這一原則是用于鉭、OS-CON和其他類型的電解電容）。 同時，電容的ESR還不能太低，必須保證ESR足夠高以滿足穩定性的要求，還應保證ESR零點遠低于開關頻率。鑒于陶瓷電容的低ESR特性，很多應用中都推薦采用。 3 輸入電容的選擇 輸入電容可以降低電源側的電流尖峰以及IC的開關噪聲。輸入電容的阻抗應盡可能小。建議采用陶瓷電容，因為陶瓷電容具有很小的尺寸以及很低的ESR。 4 整流二極管 對于非同步整流的DC/DC轉換器，整流二極管的壓降上將產生比較大的功率損耗，因此，為了提高效率，應該選擇具有超低正向壓降的肖特基二極管。 圖2給出了MAX8640Z針對手機應用中SDRAM供電的應用電路，該電路設計能夠輸出1.8V電壓，可提供100mA的最大輸出電流。電容選擇Taiyo Yuden的LB1608T1R0M或LBMF1608T1R0M，輸入/輸出電容選擇TDK的C1005X5R0J105K，所有器件所占的總面積等于 2mm×2.1mm（SC70的尺寸）+1.6mm×0.8mm（電感的尺寸）+2×1.0mm×0.5mm（輸入/輸出電容的尺寸）=6.48mm2，比現有解決方案節省超過25%的面積。 圖2 MAX8640Z針對手機應用中SDRAM供電的應用電路 結論 DC/DC轉換器的外圍元件選取，直接關系到電路的電氣性能（包括電壓輸出紋波、輸出帶載能力、功耗）、體積、成本等多方面因素。因此必須在設計初期就應該對電源的要求有清晰的了解，為設計留下充足的余量。 |
