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什么是開關(guān)模式電源

SMPS是一種高效穩(wěn)壓器，可降低輸入電壓（降壓轉(zhuǎn)換器）、升高輸入電壓（升壓轉(zhuǎn)換器），或同時(shí)執(zhí)行這兩種操作（降壓-升壓轉(zhuǎn)換器）。圖1所示為基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

降壓轉(zhuǎn)換器操作

本文僅使用降壓轉(zhuǎn)換器來演示常見的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)由以下四個(gè)元件組成：電感器、輸出電容器、頂部FET（由開關(guān)表示）和底部FET（由二極管表示），見圖2。

電感器兩端的電壓通過以下公式計(jì)算：VL = L diL/dt。該電壓是開 關(guān)節(jié)點(diǎn)與輸出電壓之間的差值。當(dāng)頂部FET導(dǎo)通時(shí)，VL 是輸入電壓和輸出電壓之間的差值。當(dāng)頂部FET關(guān)斷時(shí)，由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)接地，因此差值為0 V減去輸出。diL/dt (或 ΔiL) 是電感電流隨時(shí)間的變化量，通常稱為電感電流紋波。當(dāng)頂部FET閉合（底部FET斷開）時(shí)，隨著流經(jīng)電感器的電流增加，電感器以磁通量的形式存儲(chǔ)能量。當(dāng)頂部FET斷開，磁場消失時(shí)，底部FET會(huì)形成接地路徑，從而使電流在減小時(shí)仍能夠流向負(fù)載。圖3所示的電感電流波形中可以看出這一點(diǎn)。輸出電容用于獲得平穩(wěn)的輸出紋波，并協(xié)助保持所需的輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓由VOUT = DVIN得出，其中D是占空比，定義為頂部FET導(dǎo)通并對電感器充電的時(shí)間占總周期時(shí)間的百分比。

推薦的電感器尺寸

在設(shè)計(jì)SMPS時(shí)，必須選擇正確的電感值，以確保電感電流紋波(ΔiL))在可接受范圍內(nèi)。建議降壓轉(zhuǎn)換器的電感紋波應(yīng)介于所施加負(fù)載電流的30%至40%之間。通常認(rèn)為此范圍比較理想，既足以捕獲準(zhǔn)確的信號(hào)并將其傳送到電流模式控制反饋系統(tǒng)，又不會(huì)過大，導(dǎo)致電源進(jìn)入斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。DCM是一種狀態(tài)，在該狀態(tài)下，因電流紋波太大而迫使電流低于0 A，以便將負(fù)載電流維持在所需值。然而，一旦達(dá)到0 A，F(xiàn)ET內(nèi)部的二極管就不再導(dǎo) 通，從而防止電流降至0 A以下。一般基于以下公式來正確選擇電感：

電感器飽和

在SMPS設(shè)計(jì)中，常見的一種災(zāi)難性錯(cuò)誤就是在選擇功率電感時(shí)忽略了電流飽和額定值。當(dāng)流經(jīng)電感的電流超過飽和電流額定值時(shí)，電感器鐵芯飽和，這意味著產(chǎn)生的磁場將不再與消耗的 電流成比例地增加。這會(huì)破壞伏秒平衡定律，導(dǎo)致電感電流紋波和輸出電壓紋波失去線性特性。當(dāng)鐵芯飽和時(shí)，電感值會(huì)迅速降低，其行為更像電阻而不是電感。由于電感器的有效串 聯(lián)電阻(ESR)增加，而實(shí)際電感減小，因此，為了滿足伏特秒平衡，電流變化量將被迫增加。在飽和電流波形中觀測到尖峰是電流斜率呈指數(shù)增加造成的，如圖4所示。該電流尖峰會(huì)影響輸 出電壓，從而導(dǎo)致更多噪聲和電壓尖峰，如圖5所示。如果電壓尖峰過大，超過下游元件的最大電壓額定值，噪聲和電壓尖峰可能會(huì)損壞下游元件，并降低EMI性能。

超小電感器面臨的難題

設(shè)計(jì)人員通常為了節(jié)省占用空間更傾向選擇電感值較小的電感，這樣的電感器線圈數(shù)量較少，因此外形尺寸較小。然而，如果電感器太小，紋波電流就會(huì)很大，并會(huì)迫使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DCM模式，這對于SMPS來說是不可取的，因?yàn)槠骷男蕰?huì)降低，電磁干擾(EMI)性能也會(huì)變差。當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)振鈴時(shí)，可能會(huì)觀測到這種EMI性能下降現(xiàn)象，這是由寄生效應(yīng)和LC諧振電路（產(chǎn)生諧振電路）引起的，如圖10所示。這種振鈴會(huì)影響輸出電壓，從而導(dǎo)致更大的紋波和更多的電壓尖峰，如圖11所示。此外，電源不再處于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，并且推導(dǎo)出的SMPS輸出公式不再適用。

超大電感器面臨的難題

連接到SMPS的下游電子元件通常具有指定的電源電壓和相關(guān)容差。如果電壓軌上的紋波過大，將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行。例如，如果微控制器的電源規(guī)格為3.3 V ±50 mV，則紋波大于±50 mV可能會(huì)導(dǎo)致微控制器關(guān)閉。設(shè)計(jì)人員一般通過增加電感器的尺寸來減少 這種紋波。然而，如果電感器尺寸過大，電流紋波以及輸出電壓紋波會(huì)顯著減少。盡管這聽起來可取，但它會(huì)導(dǎo)致反饋系統(tǒng)出現(xiàn)問題，而且還會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變慢。小紋波將使串聯(lián)檢測電阻很難檢測到變化，從而使傳遞到反饋環(huán)路的常見三角波形失真。當(dāng)電感電流紋波較小時(shí)，信噪比(SNR)會(huì)降低。這會(huì)導(dǎo)致反饋環(huán)路將噪聲記錄為電感器信號(hào)，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定（表現(xiàn)為抖動(dòng)），如圖13所示。

結(jié)論

本文可作為分析降壓轉(zhuǎn)換器中電感器設(shè)計(jì)問題的指南。此外，本文旨在為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用解決方案，避免出現(xiàn)文中所述的任何干擾行為。通過適當(dāng)調(diào)整電感大小，將電感紋波保持在輸出的30%至40%范圍內(nèi)，對于確保器件保持在CCM狀態(tài)，并且不會(huì)引起干擾抖動(dòng)或飽和至關(guān)重要，這種抖動(dòng)或飽和可能會(huì)對負(fù)載或穩(wěn)壓器芯片本身造成致命影響。

文章來源：亞德諾半導(dǎo)體