Buck電路電感選型方法
開關(guān)電源從儲(chǔ)能器件類型可以分為電感型的和電容型的。針對(duì)電感型的無(wú)論是Buck還是Boost,無(wú)論是升壓降壓或其他類型,電感在整個(gè)電路里起著非常重要的的作用。主要作用為儲(chǔ)能并傳遞能量,儲(chǔ)能的同時(shí)會(huì)對(duì)波形進(jìn)行整形。 ? ?如下圖示:降壓轉(zhuǎn)換器由DC輸入電源Vin、導(dǎo)通開關(guān)S、續(xù)流D二極管(單向?qū)ǎ?chǔ)能元件L、輸出電容C及負(fù)載R組成。
電感有儲(chǔ)能并濾除交流成分的效果,儲(chǔ)能和濾波的效果是否能滿足要求,怎么去選取這個(gè)電感?電感有不同類型,構(gòu)造,材料,參數(shù)(它的飽和電流,額定電流等),如何考慮和選取?下面主要來(lái)討論電感的一個(gè)選取。 ? 我們知道Buck電路有開關(guān)和閉合兩種狀態(tài),這兩種狀態(tài)分別持續(xù)Ton,和斷開Toff。 在Ton這段時(shí)間里就是閉合的,電流的變化量就是最大電流減去最小電流。 電流增量: △I=Imax-Imin=(Vin-Vo)*Ton/L
? 斷開之后,電感上面仍然有電流,只是電流在減小,減小的這個(gè)量就是最小電流減最大電流。 電流減量: △I=Imin-Imax=-Vo/L*Toff
無(wú)論是增量還是減量,統(tǒng)稱為電感電流的變化量△IL: △IL=|Imin-Imax|=(Vin-Vo)*Ton/L=-Vo/L*Toff 而已知Buck電路的Vo=(Vo/T)*Vin,得: Ton=(Vo/Vin)*T=Vo/(Vin*fswitch) 任意代入△IL=Ton*(Vin-Vo)/L,可得,流經(jīng)電感的紋波電流(峰峰值交流成分)Iripple: Iripple=(Vin-Vo)/LVo/(Vin*fswitch) ? ?Iripple為峰峰值電流: Iripple=Vo*(Vin-Vo)/L*Vin*fswitch =Ipeak(max)-Ipeak(min)
出達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,在某一開關(guān)周期內(nèi)(電流對(duì)時(shí)間積分,左邊綠色區(qū)域就是開關(guān)閉合時(shí)流經(jīng)電感的電荷,右邊紫色區(qū)域就是開關(guān)斷開時(shí)流經(jīng)電感的電荷):
得流經(jīng)電感電流的有效值(均方根): IRMS=[Ipeak(max)+Ipeak(min)]/2 當(dāng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)候,流經(jīng)電感的電流就等于輸出電容和負(fù)載的電流: IL=IC+Io 當(dāng)輸出達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí):IRMS=Io(達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候,流經(jīng)負(fù)載R的電流就是電感電流的直流成分) 因此:
Io負(fù)載電流通常指的是最大輸出電流。 交流部分就是他的紋波電流,紋波電流最后通過(guò)輸出電容給它濾波。 為了使Buck工作是CCM模式,則需滿足,流經(jīng)電感的電流始終大于0(正向流通):
電感電流過(guò)小,帶負(fù)載能力比較弱,屬于輕載模式。如果電流為零,可能會(huì)出現(xiàn)不連續(xù)甚至震蕩的情況,所以當(dāng)有負(fù)載的時(shí)候,希望他維持在CCM這樣的狀態(tài)(持續(xù)電流模式)。要維持CCM電流,就是流經(jīng)電感的電流要為正或要一直有電流,這個(gè)電流無(wú)論多大一直要有,不能停不能為零。 將紋波電流帶入到小于兩倍的輸出電流之后,可得維持CCM電感的必要條件:
只要電感大于這個(gè)值,就以為著電感工作時(shí)始終有電流,就是維持了CCM的模式,這其實(shí)為我們選取電感提供了一個(gè)基本的指向。
那是不是只要大于維持CCM這個(gè)值,輸出結(jié)果、性能、紋波就好了,其實(shí)不是。 讓電感值處于維持CCM電感的必要條件時(shí),它的電路性能是什么樣子的? 僅維持CCM的最小電流即:
很顯然,僅維持CCM電流,紋波太大,不符合我們的要求。 因此電感值要進(jìn)一步加大,加大到多少?
設(shè)計(jì)一個(gè)Buck電路,這些參數(shù)都是我們預(yù)先需要考慮的。(后端負(fù)載對(duì)紋波的要求,設(shè)定一個(gè)什么樣的開關(guān)頻率,DCDC器件滿足什么樣的開關(guān)頻率,是否可調(diào))最后我們會(huì)得到電感感值L最小取值:
其中輸入電壓,輸出電壓,輸出電流,開關(guān)頻率,紋波率均為已知量。 通過(guò)前式:
★可以看到,電感越大,紋波越小,同時(shí)大感值電感會(huì)帶來(lái)較大的封裝尺寸; ★開關(guān)頻率越高,紋波越小,同時(shí)提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致EMI惡化。 ★無(wú)論是電感還是電容,它都有溫度曲線或者材質(zhì)的差異,有效值會(huì)出現(xiàn)衰減,所以在選取時(shí),在L的基礎(chǔ)上適當(dāng)大一點(diǎn)。 可以在simulink中仿真,通過(guò)改變電感值或開關(guān)頻率觀察紋波電流的變化。
[額定電流]電感的額定電流要大于流經(jīng)電感電流的有效值Irms(考慮器件溫升),即最大輸出電流。 [DCR]同時(shí)考慮能量損失及發(fā)熱,也希望選取DCR(ESR)更小的電感,可能需要在尺寸和DCR之間平衡。(電感的理想模型是只有一個(gè)感值,那實(shí)際在生產(chǎn)過(guò)程中,封裝過(guò)程中,它很多材料還有一些寄生參數(shù),會(huì)有等效串聯(lián)電阻。) ? Buck電路電容值選取 ? 電感在電路中起著儲(chǔ)能的作用,電容它起著濾除交流成分的作用,電容是如何濾除交流成分的? 我們知道電容最基本的一個(gè)特性就是隔斷直流通過(guò)交流。
交流成分流向電容,直流成分流向負(fù)載,當(dāng)然還會(huì)存在一部分交流也流向負(fù)載,這是我們不希望看到的,因?yàn)槲覀兿M幸粋€(gè)穩(wěn)定恒定的輸出。 電容它最本質(zhì)的一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)造就是兩片導(dǎo)體中間充斥著某種電介質(zhì),這時(shí)它有了一定的電容值。當(dāng)電容兩個(gè)金屬片上有電荷的時(shí)候,他就會(huì)有電壓,電荷傳遞的時(shí)候就會(huì)形成電流,所以當(dāng)外界向電容傳遞電荷的時(shí)候,有電荷的移動(dòng)就意味著有電流流向電容,同樣當(dāng)電容向外界釋放時(shí),那就有電流流出電容。所以把電容作為一個(gè)整體來(lái)看,電流可以流進(jìn)電容,也可流出電容,就說(shuō)明他可以通過(guò)交流。 ? 輸出電容的重要性 極端情況下,DCDC電路中沒(méi)有輸出電容,會(huì)發(fā)生什么?
DCDC,我們知道直流到直流,是電壓之間的變換,功率之間的傳遞,我們希望一個(gè)穩(wěn)定的恒壓輸出,那輸出電容選什么樣的輸出電容,它的容值選取多少合適? 根據(jù)并聯(lián)電路知: Vo=Vc 因此輸出電壓的紋波,即輸出電容上的紋波; 電容"配合"電感電流的變化;
從上圖也可以看到,電容它的電流一直在正負(fù)的變化,就是一會(huì)電流充電,一會(huì)電流放電,只要電容上的電荷不變化,哪怕有基礎(chǔ)電荷,電壓直流加在電容兩端,它上面有很多電荷,達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)候,電容兩端并沒(méi)有電流(有電荷無(wú)電流)。 根據(jù)電容的特性:C=Q/V,我們知道,一個(gè)電容只要兩端有了電荷就會(huì)有電壓,電荷變化會(huì)有電壓,電壓變化會(huì)帶來(lái)電流: i=C*dV/dt ★并聯(lián)電容后,交流部分可通過(guò); ★通過(guò)前面的分析流經(jīng)電感電流分為兩部分: IL=IRMS+IAC(交流成分) 其中:
? 紋波電流和紋波電壓
?
化簡(jiǎn)得:
★可以看到,電容值越大,輸出紋波越小,同時(shí)大容值會(huì)帶來(lái)較大的封裝尺寸和成本; ★開關(guān)頻率越高,輸出電壓紋波越小,同時(shí)提高開關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致EMI惡化。 將上式繼續(xù)轉(zhuǎn)換,可得電容值C最值:
?
可以看到輸出電壓紋波與電感電流紋波率,輸入電壓,輸出電壓,開關(guān)頻率,電感,輸出電容等均有關(guān)系,尤其是后三因素。 ? 為什么與電感,頻率相關(guān)? ★L(fēng)C低通濾波器:其中串聯(lián)的電感L能阻斷高頻噪聲,并聯(lián)連接電容C來(lái)使高頻噪聲旁通的方式發(fā)揮作用。 ★電感線圈對(duì)交流有限流作用,由電感的感抗公式可知,電感L越大,頻率F越高,感抗就越大。 ★電感線圈有通低頻,阻高頻的作用,這就是電感的濾波原理下面是LC濾波電路示例電感在電路最常見(jiàn)的作用就是與電容一起,組成LC濾波電路。具有"阻直流,通交流"的本領(lǐng),而電感則有"通直流,阻交流,通低頻,阻高頻"的功能。 ★交流干擾信號(hào)大部分將被電感阻止吸收變成磁能和熱能,剩下的大部分被電容旁路到地。 ★這就可以抑制干擾信號(hào)的作用,在輸出端就獲得比較純凈的直流電流。 ?LC低通濾波器中元件電感和電容的頻率特性曲線; ?LC低通濾波器的衰減曲線圖,可以計(jì)算帶寬,截止頻率等;
左圖電容、電感的頻率特性曲線,電容電感組成的濾波器它有一定的帶寬、截止頻率,右圖是衰減曲線圖,這個(gè)可以衡量Buck電路到后端低通濾波的效果怎么樣。 ? 輸出電容選取 [電容值與誤差]通過(guò)前面分析,較高的輸出電容值可降低輸出電壓紋波,并改善負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng),電容值C取值:C=Iripple/8*△Vp-p*fswitch,同時(shí)需考慮器件值誤差及溫升影響,通常按降額30%選取; [電介質(zhì)]推薦使用X5R或X7R,由于Y5V和Z5U材質(zhì)的電容溫度和直流偏置特性差,避免Y5V和Z5U材質(zhì)的電容應(yīng)用在DCDC電路中。 [耐壓值]額定電壓應(yīng)該大于兩端實(shí)際工作最大電壓(含紋波峰值),并留有一定余量。 [ESR]ESR影響輸出電壓紋波大小,由于電容上有持續(xù)的紋波交流成分通過(guò),因此為避免效率損失,盡量選用低ESR的電容由于X5R或X7R材質(zhì)電容的值有較寬的耐壓和溫度范圍,推薦使用X5R或X7R,滿足ESRc≤1/8*C*fswitch; ? Buck電路PCB設(shè)計(jì)與干擾原理 ? 干擾源分析 ?開關(guān)電路中,開關(guān)信號(hào)上有著較高的dV/dt,有較快變化的電場(chǎng); ?變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng),即麥克斯韋電磁場(chǎng)理論: a)變化的電場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生磁場(chǎng),變化的磁場(chǎng)在周圍空間產(chǎn)生電場(chǎng); b)均勻變化的電場(chǎng)(磁場(chǎng))在周圍空間產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng)(電場(chǎng)),非均勻變化的電場(chǎng)(磁場(chǎng))在周圍空間產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)(電場(chǎng))。振蕩的電場(chǎng)(磁場(chǎng))在周圍空間產(chǎn)生同頻率的振蕩磁場(chǎng)(電場(chǎng)); ?干擾的原理分析 開關(guān)電路有著快速變化率的一個(gè)上升沿和下降沿,電壓隨著時(shí)間的變化是非常快的,一會(huì)為零伏,一會(huì)為五伏,這個(gè)變化的快慢稱之為頻率。一個(gè)電路上或者一個(gè)電器上,它有著比較高的dV/dt(電壓變化率),意味著有較快變化的電場(chǎng),變化的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。 ? 時(shí)鐘和基準(zhǔn)源很多都是周期信號(hào),這種周期的跳動(dòng)是一個(gè)比較大的干擾源,那如何利用好時(shí)鐘,利用好開關(guān)信號(hào),同時(shí)又不給后端模塊造成比較大的影響? 根據(jù)安培定律和法拉第電磁感應(yīng)定律可以得到: ★電壓的變化導(dǎo)致有電流,產(chǎn)生電流就產(chǎn)生了磁場(chǎng),同時(shí)存在; ★電流變化,有產(chǎn)生了感應(yīng)電壓,即電場(chǎng); ★干擾原理: i=CM*dV/dt; V=LM*di/dt; CM為互容;LM為互感,整個(gè)系統(tǒng)里,不同電路不同信號(hào)之間又會(huì)有相互的依存,離得近互感互容會(huì)變大。經(jīng)典力學(xué)里面,只要任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體,它們之間必定有一定的距離,有萬(wàn)有引力。這中引力是沒(méi)有辦法避免的,有一定比重的影響。 所以我們想要減小干擾,想要抑制干擾,必須從互容和互感上下功夫。那互感和互容都與那些因素有關(guān)呢? ★互容相互間的容性效應(yīng)(互容:兩個(gè)電路之間的電場(chǎng)相互影響,其互相影響的系數(shù)隨距離的增加快速地減小。) ?間距 ?電容率 ?耦合面積 ★互感相互間的容性效應(yīng) ?環(huán)路面積及方向 ?距離 ?磁導(dǎo)率 ?互感它要看磁力線的多少,或者說(shuō)磁通量,所以面積越大包圍的磁通量匝數(shù)就越多,所以它與環(huán)路面積有關(guān)系。磁力線的方向與電流的方向是異面垂直的,當(dāng)我兩個(gè)電流信號(hào)i1和i2本身就是垂直時(shí),磁場(chǎng)方向也垂直,這時(shí)它們的耦合就很小,這也是我們?cè)?a href="http://m.xsypw.cn/v/tag/82/" target="_blank">PCB中走線不要并行要十字交叉的原因。 ?磁導(dǎo)率:不同金屬有不同的磁導(dǎo)率,那我在兩個(gè)導(dǎo)體之間加入了一個(gè)導(dǎo)體,那這個(gè)導(dǎo)體會(huì)改變磁場(chǎng)的方向,如果說(shuō)這個(gè)是鐵、鈷、鎳的金屬(對(duì)磁場(chǎng)的抑制會(huì)更好,磁導(dǎo)率高),他可能還會(huì)改變整個(gè)被磁化,改變整個(gè)磁場(chǎng),所以,這個(gè)也是我們屏蔽的一個(gè)原理。 如果兩個(gè)干擾信號(hào)太大,又沒(méi)有辦法加大它們之間的距離,在中間加一個(gè)導(dǎo)體,導(dǎo)體可以隔絕電場(chǎng),把電場(chǎng)改變,進(jìn)而阻止電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)換。 在輸出和輸入之間,在不同電源之間,都希望它不要耦合,要加一個(gè)電容,電容的作用是抑制耦合。 無(wú)論是斷開還是導(dǎo)通的狀態(tài),我們都希望它的回路面積小,這個(gè)才能達(dá)到我們整個(gè)所有狀態(tài)或者一個(gè)整體上的互容互感的減小。
?問(wèn)題 ★導(dǎo)通和斷開的環(huán)路面積(開關(guān)回路)盡量小; ★信號(hào)的GND和電流的GND(功率GND)減少耦合; ★更寬的走線降低走線的電阻(DC),減小寄生電容電感(AC)。 ★大電流走線寬度及大尺寸器件更利于散熱; ?解決 ★電感靠近開關(guān)MOS的公共點(diǎn)放,若是集成式則靠近芯片,以減小SW信號(hào)的長(zhǎng)度,減少輻射發(fā)射; ★輸入電容和輸出電容應(yīng)盡可能靠近器件放置,以減少走線阻抗; ★輸入輸出電容的地應(yīng)盡可能靠近PGND腳,信號(hào)GND和功率GND并在芯片GND處單點(diǎn)連接;功率GND上有開關(guān)噪聲,盡量避免對(duì)敏感小信號(hào)造成干擾,尤其FEEDBACK管腳。(大電流GND:L,CIN,COUT,CBOOT連接到大電流GND;小電流GND:RFB1,RFB2單獨(dú)連接到信號(hào)GND); ★如果多層板,且使用過(guò)孔不可避免時(shí),信號(hào)換層時(shí)保持足夠數(shù)量的過(guò)孔,保持與敏感模塊的距離。 實(shí)際布局1
實(shí)際布局2
當(dāng)我們把電感靠近電容遠(yuǎn)離,它的回流面積及路徑并不會(huì)改變,但是這時(shí)輸入電容遠(yuǎn)離了,輸入電容離得遠(yuǎn)就會(huì)降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)。這時(shí)如果沒(méi)有辦法都靠近,優(yōu)先輸入靠近芯片。 ?
審核編輯:黃飛
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