|
作者：Abe Ibraheim，核心應用部實(shí)習生，Kenneth Armijo，核心應用部工程師，Piyu Dhaker，資深工程師，ADI公司 問(wèn)題 為什么我的電源會(huì )出現振鈴和過(guò)熱？ 
回答 電感器尺寸不當和超出電感飽和電流額定值可能會(huì )導致DC-DC轉換器出現多種問(wèn)題，其中兩個(gè)問(wèn)題是振鈴和過(guò)熱。 摘要 本文是系列文章中的第一篇，該系列文章將討論常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的設計問(wèn)題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開(kāi)關(guān)穩壓器的功率級設計中面臨的復雜難題，重點(diǎn)分析電感問(wèn)題。設計人員為了獲得各種優(yōu)勢，例如減少輸出紋波和盡量縮減解決方案尺寸，往往會(huì )選擇超出推薦范圍的電感值。然而，選擇電感值過(guò)大或過(guò)小的元件都會(huì )導致意想不到的后果，可能會(huì )造成芯片嚴重損壞并降低效率。本文還將分析探討：如果不采取適當的措施，確保負載電流不會(huì )超過(guò)電感的最大飽和額定值，會(huì )出現什么情況。 什么是開(kāi)關(guān)模式電源 SMPS是一種高效穩壓器，可降低輸入電壓（降壓轉換器）、升高輸入電壓（升壓轉換器），或同時(shí)執行這兩種操作（降壓-升壓轉換器）。圖1所示為基本開(kāi)關(guān)轉換器拓撲。
圖1.常見(jiàn)的SMPS拓撲及其輸出公式。 每個(gè)SMPS都以同樣的方式工作：將能量存儲在電感器中，并利用脈寬調制(PWM)技術(shù)來(lái)獲得所需的輸出。這些轉換器都應遵循伏秒平衡定律，即在穩態(tài)下工作時(shí)，電感在一個(gè)周期內的平均電流必須為零。因此，電感器必須在另一個(gè)周期開(kāi)始之前，將充電階段存儲的所有電流放電。 降壓轉換器操作 本文僅使用降壓轉換器來(lái)演示常見(jiàn)的設計錯誤。降壓轉換器的功率級由以下四個(gè)元件組成：電感器、輸出電容器、頂部FET（由開(kāi)關(guān)表示）和底部FET（由二極管表示），見(jiàn)圖2。
圖2.簡(jiǎn)化的降壓轉換器功率級。 電感器兩端的電壓通過(guò)以下公式計算：VL = L diL/dt。該電壓是開(kāi)關(guān)節點(diǎn)與輸出電壓之間的差值。當頂部FET導通時(shí)，VL是輸入電壓和輸出電壓之間的差值。當頂部FET關(guān)斷時(shí)，由于開(kāi)關(guān)節點(diǎn)接地，因此差值為0 V減去輸出。diL/dt（或∆iL）是電感電流隨時(shí)間的變化量，通常稱(chēng)為電感電流紋波。當頂部FET閉合（底部FET斷開(kāi)）時(shí)，隨著(zhù)流經(jīng)電感器的電流增加，電感器以磁通量的形式存儲能量。當頂部FET斷開(kāi)，磁場(chǎng)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的輸出紋波，并協(xié)助保持所需的輸出電壓。降壓轉換器的輸出電壓由VOUT = DVIN得出，其中D是占空比，定義為頂部FET導通并對電感器充電的時(shí)間占總周期時(shí)間的百分比。
圖3.電感電流波形。當頂部FET導通時(shí)，流經(jīng)電感器的電流充電；當頂部FET關(guān)斷時(shí)，流經(jīng)電感器的電流放電。 推薦的電感器尺寸 在設計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。建議降壓轉換器的電感紋波應介于所施加負載電流的30%至40%之間。通常認為此范圍比較理想，既足以捕獲準確的信號并將其傳送到電流模式控制反饋系統，又不會(huì )過(guò)大，導致電源進(jìn)入斷續導通模式(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，以便將負載電流維持在所需值。然而，一旦達到0 A，FET內部的二極管就不再導通，從而防止電流降至0 A以下。一般基于以下公式來(lái)正確選擇電感：
此公式表明，開(kāi)關(guān)頻率與電感成反比，這意味著(zhù)頻率越高，充電時(shí)間就越短，從而可以使用更小的電感實(shí)現正常操作（節省占用空間和成本）。 電感器飽和 在SMPS設計中，常見(jiàn)的一種災難性錯誤就是在選擇功率電感時(shí)忽略了電流飽和額定值。當流經(jīng)電感的電流超過(guò)飽和電流額定值時(shí)，電感器鐵芯飽和，這意味著(zhù)產(chǎn)生的磁場(chǎng)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，導致電感電流紋波和輸出電壓紋波失去線(xiàn)性特性。當鐵芯飽和時(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(mǎn)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(guān)測到尖峰是電流斜率呈指數增加造成的，如圖4所示。該電流尖峰會(huì )影響輸出電壓，從而導致更多噪聲和電壓尖峰，如圖5所示。如果電壓尖峰過(guò)大，超過(guò)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。
圖4.飽和電感電流波形。波形在電流超過(guò)飽和額定值之前表現正常。
圖5.飽和電感輸出紋波。尖峰會(huì )延續到輸出，其中包含噪聲和電壓尖峰。 此外，在電流波動(dòng)較大的情況下，電感器會(huì )經(jīng)歷快速磁滯損耗，從而導致電感器散熱過(guò)多（如圖6所示）并產(chǎn)生可聞噪聲。過(guò)多的熱量可能會(huì )損壞附近的其他元件（尤其是穩壓器芯片本身）。
圖6.電感器飽和散熱溫度為226°F (107.78°C)。 為避免出現此問(wèn)題，設計人員應選擇額定電流至少比預期最大電流高兩倍的電感器。在計算最大電流時(shí)，一定要考慮電感電流紋波以及輸出端消耗的負載電流。此外，設計人員還可以參考所選電感器的數據手冊，了解在多大電流下電感值會(huì )降低10%到30%，這就是飽和的定義。選擇具有適當飽和電流額定值的電感器將會(huì )使系統正常運行，如圖7中流經(jīng)電感器的線(xiàn)性電流所示。輸出電壓尖峰將會(huì )消失，如圖8所示。最后，系統將在更低的溫度下運行（如圖9所示），從而減少對設備的影響并延長(cháng)設備的使用壽命。
圖7.標稱(chēng)電感電流波形。
圖8.標稱(chēng)電感輸出紋波。
圖9.標稱(chēng)電感散熱溫度為99.7°F ( 37.61°C)。 超小電感器面臨的難題 設計人員通常為了節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(xiàn)圈數量較少，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 )迫使轉換器進(jìn)入DCM模式，這對于SMPS來(lái)說(shuō)是不可取的，因為器件的效率會(huì )降低，電磁干擾(EMI)性能也會(huì )變差。當開(kāi)關(guān)節點(diǎn)出現振鈴時(shí)，可能會(huì )觀(guān)測到這種EMI性能下降現象，這是由寄生效應和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，電源不再處于連續導通模式(CCM)，并且推導出的SMPS輸出公式不再適用。
圖10.超小電感輸出波形。如果無(wú)法獲得電感電流，也會(huì )在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)處觀(guān)測到振鈴現象。
圖11.超小電感電流波形。電流和RSENSE中出現振鈴表明電源處于DCM模式。 為了解決此問(wèn)題，設計人員應選擇能夠提供約30%至40%電流紋波的電感。這樣就會(huì )降低電感電流紋波的幅度，使器件從DCM返回CCM模式，如圖12所示。這也會(huì )改善輸出電壓紋波，消除電壓尖峰，如圖8所示。如果設計人員在計算所需電感值和選擇適用元件時(shí)遇到困難，可以使用LTPowerCAD來(lái)協(xié)助設計和選擇功率級元件。
圖12.標稱(chēng)電感電流波形。 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(guò)大，將嚴重影響系統的運行。例如，如果微控制器的電源規格為3.3 V ±50 mV，則紋波大于±50 mV可能會(huì )導致微控制器關(guān)閉。設計人員一般通過(guò)增加電感器的尺寸來(lái)減少這種紋波。然而，如果電感器尺寸過(guò)大，電流紋波以及輸出電壓紋波會(huì )顯著(zhù)減少。盡管這聽(tīng)起來(lái)可取，但它會(huì )導致反饋系統出現問(wèn)題，而且還會(huì )導致瞬態(tài)響應變慢。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(jiàn)三角波形失真。當電感電流紋波較小時(shí)，信噪比(SNR)會(huì )降低。這會(huì )導致反饋環(huán)路將噪聲記錄為電感器信號，從而導致輸出信號不穩定（表現為抖動(dòng)），如圖13所示。
圖13.輸出不穩定造成抖動(dòng)。超大電感輸出波形表現出持續特性。突出顯示的波形采用標稱(chēng)電感捕獲。 此外，電感值越大，飽和電流額定值通常越小。這可能會(huì )導致電感飽和，對于器件而言非常危險，如“電感器飽和”部分所述。超大電感飽和帶來(lái)的影響如圖14所示。
圖14.電感值為標稱(chēng)值22倍的電感器的飽和電感輸出波形。額定電流不會(huì )隨電感成比例增加。 為了緩解此問(wèn)題，設計人員切記，輸出電壓紋波可通過(guò)改變輸出電容選擇來(lái)控制。通過(guò)增加輸出電容器的值或降低其ESR，可以減少輸出電壓紋波，而無(wú)需增加電感器的值。這樣電感電流紋波值保持在30%到40%之間，從而使檢測架構能夠正確獲取信號。這一點(diǎn)可以從圖15中看出。
圖15.標稱(chēng)檢測電阻波形。 結論 本文可作為分析降壓轉換器中電感器設計問(wèn)題的指南。此外，本文旨在為設計人員提供實(shí)用解決方案，避免出現文中所述的任何干擾行為。通過(guò)適當調整電感大小，將電感紋波保持在輸出的30%至40%范圍內，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 )對負載或穩壓器芯片本身造成致命影響。 關(guān)于作者 Abe Ibraheim是核心應用部的實(shí)習生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工學(xué)院一名大三學(xué)生，正在攻讀電氣和計算機工程學(xué)士和碩士學(xué)位。他的專(zhuān)業(yè)方向是微電子和電力系統。 Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，擔任核心應用部助理工程師。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程和機器人工程兩個(gè)學(xué)士學(xué)位，還擁有電氣工程碩士學(xué)位。他專(zhuān)注于電源管理電路（主要是開(kāi)關(guān)穩壓器）的設計和實(shí)現。 Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應用部的一名應用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應用部。她還曾在A(yíng)DI的汽車(chē)動(dòng)力總成部和電源管理部工作。 |
