開(kāi)關(guān)電源的電感選擇和布局布線原則
發(fā)布時(shí)間:2018-11-06 責(zé)任編輯:xueqi
【導(dǎo)讀】以下將主要討論如何在保證產(chǎn)品性能的前提下,減小開(kāi)關(guān)電源電感的尺寸(所占據(jù)的PCB面積和高度),以及在對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行布局布線時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和遵循的原則。
開(kāi)關(guān)電源(SMPS, Switched-Mode Power Supply)是一種非常高效的電源變換器,其理論值更是接近100%,種類(lèi)繁多。按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分,有Boost、Buck、Boost-Buck、Charge-pump等;按開(kāi)關(guān)控制方式分,有PWM、PFM;按開(kāi)關(guān)管類(lèi)別分,有BJT、FET、IGBT等。本次討論以數(shù)據(jù)卡電源管理常用的PWM控制Buck、Boost型為主。
開(kāi)關(guān)電源的主要部件包括:輸入源、開(kāi)關(guān)管、儲(chǔ)能電感、控制電路、二極管、負(fù)載和輸出電容。目前絕大部分半導(dǎo)體廠商會(huì)將開(kāi)關(guān)管、控制電路、二極管集成到一顆CMOS/Bipolar工藝的電源管理IC中,極大簡(jiǎn)化了外部電路。
其中儲(chǔ)能電感作為開(kāi)關(guān)電源的一個(gè)關(guān)鍵器件,對(duì)電源性能的好壞有重要作用,同時(shí)也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師重點(diǎn)關(guān)注和調(diào)試的對(duì)象。隨著像手機(jī)、PMP、數(shù)據(jù)卡為代表的消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備的尺寸正朝著輕、薄、小巧、時(shí)尚的趨勢(shì)發(fā)展,而這正與產(chǎn)品性能越強(qiáng)所要的更大容量、更大尺寸的電感和電容矛盾。因此,如何在保證產(chǎn)品性能的前提下,減小開(kāi)關(guān)電源電感的尺寸(所占據(jù)的PCB面積和高度)是本文要討論的一個(gè)重要命題,設(shè)計(jì)者將不得不在電路性能和電感參數(shù)間進(jìn)行折中(Tradeoff)。
任何事物都具有兩面性,開(kāi)關(guān)電源也不例外。壞的PCB布局布線設(shè)計(jì)不但會(huì)降低開(kāi)關(guān)電源的性能,更會(huì)強(qiáng)化EMC、EMI、地彈(grounding)等。在對(duì)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行布局布線時(shí)應(yīng)注意的問(wèn)題和遵循的原則也是本文要討論的另一重要命題。
一、開(kāi)關(guān)電源占空比D、電感值L、效率η公式推導(dǎo)
Buck型和Boost型開(kāi)關(guān)電源具有不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文將使用如圖1-1、1-2所示的電路參考模型[1]:
參考電路模型默認(rèn)電感的DCR(Direct Constant Resistance)為零。
Buck/Boost型開(kāi)關(guān)電源,伴隨開(kāi)關(guān)管的開(kāi)和關(guān),儲(chǔ)能電感的電流波形如圖1-3所示:
從圖中可以看到,電感的電流波形等價(jià)于在直流I(DC)上疊加一個(gè)I(P-P)值為ΔI的交流。因而,I(DC)成為輸出電流I(O),主要消耗在負(fù)載上;交流ΔI則消耗在負(fù)載電容的ESR(Equation Serial Resistance)上,成為輸出紋波V(ripple)。
所以,
下面以Buck型開(kāi)關(guān)電源為例推導(dǎo)占空比、電感值和效率公式。
在一個(gè)連續(xù)模式的周期內(nèi),開(kāi)關(guān)管閉合,對(duì)電感進(jìn)行充電,根據(jù)基爾霍夫定律有:
dt近似為:D/f(D:一個(gè)振蕩周期T內(nèi)開(kāi)關(guān)管ON/OFF的狀態(tài)的比例關(guān)系,T=1/f,dt=D*T=D/f); D:占空比是高電平所占周期時(shí)間與整個(gè)周期時(shí)間的比值)
展開(kāi):
其中:iV為輸入電壓,SWV為開(kāi)關(guān)管電壓,oV為輸出電壓,SWf為開(kāi)關(guān)頻率,D為占空比。
在一個(gè)連續(xù)模式的周期內(nèi),開(kāi)關(guān)管打開(kāi),電感放電,根據(jù)基爾霍夫定律有:
r也叫電流紋波比,是紋波電流與額定輸出電流之比。對(duì)于一個(gè)給定Buck型開(kāi)關(guān)電源,
此值一般為常量。從(5)式可以得到:電感值越大,I?就越小,因此r就越小。但這往往導(dǎo)致需要一個(gè)很大的電感才能辦到,所以絕大部分的Buck型開(kāi)關(guān)電源選擇r值在0.25~0.5之間。
將(6)代入(5)式,得到:
至此,我們推導(dǎo)出了Buck型開(kāi)關(guān)電源的
。需要提醒的是以上所有公式都建立在參考電路模型的基礎(chǔ)上,忽略了電感的DCR。
從(4)式可以看到,占空比只與V(i)、V(o)、V(sw)和V(D)相關(guān),可以很容易搭建電路計(jì)算出D,這也是開(kāi)關(guān)電源控制器的核心電路之一,但對(duì)開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用者來(lái)說(shuō),我們可以不關(guān)心。
從(8)式可以看出,開(kāi)關(guān)電源的效率也只與V(i)、V(o)、V(sw)和V(D)相關(guān)。事實(shí)上V(sw)和V(D)是開(kāi)關(guān)頻率f(sw)的函數(shù),所以也是f(sw)的函數(shù),但并不能保證f(sw)越高,就越高。
而對(duì)于一個(gè)給定的Buck型開(kāi)關(guān)電源,其SWf是確定的,所以也就是定值,尤其在忽略V(sw)和V(D)后,值為1。很明顯這與實(shí)際情況不符,根本原因就在于“參考模型假定儲(chǔ)能電感為理想電感”。
把(5)式代入(1)式,可以得到:
所以,可以通過(guò)選用大電感,低ESR大容量輸出電容的方法減小輸出紋波電壓。
同理,可以推導(dǎo)出了Boost型開(kāi)關(guān)電源的D、L、minL,如下所示:
二、電感最小值選取
公式(7)、(12)分別給出了通用的Buck和Boost型開(kāi)關(guān)電源的電感最小值選取公式。
對(duì)像手機(jī)、PMP、數(shù)據(jù)卡這類(lèi)的消費(fèi)類(lèi)電子用到的低功率開(kāi)關(guān)電源,V(sw)和V(D)都在0.1V~0.3V之間,因此可對(duì)公式(7)、(12)進(jìn)行簡(jiǎn)化,得到:
以PM6658的Buck電源MSMC為例,V(i)為3.8V,V(o)為1.2V,r為0.3,f(sw)為1.6MHz,I(o_rated)為500mA則L(min)為3.08uH。若選用的電感容差為20%,1.25*L(min)=3.85uH。據(jù)計(jì)算值最近的標(biāo)準(zhǔn)電感值為4.7uH,所以PM6658 spec推薦的最小電感值就是4.7uH。
三、電感參數(shù)選取
除了上面講的感值和容差(Tolerance)外,電感還有以下重要參數(shù):自激頻率
(Self-resonant frequency,f(o)),R(DC),飽和電流(Saturation current,I(sat))和均方根電流(RMS current,I(RMS))。盡管參數(shù)很多,但準(zhǔn)則只有一條:盡量保證f(sw)下電感的阻抗最小,讓實(shí)際電路和理想模型吻合,降低電感的功耗和熱量,提高電源的效率。
3.1 自激頻率f(o)
理想模式的電感,其阻抗與頻率呈線性關(guān)系,會(huì)隨頻率升高而增大。實(shí)際電感模型如圖3-1-1所示,由電感L串聯(lián)R(DCR)和寄生電容C并聯(lián)而成,存在自激頻率f(o)。頻率小于f(o)時(shí)呈感性,大于f(o)時(shí)呈容性,在f(o)處阻抗最大。
經(jīng)驗(yàn)值:電感的自激頻率f(o)最好選擇大于10倍開(kāi)關(guān)頻率f(sw)。
3.2 直流電阻R(DCR)
電感的直流電阻R(DCR)自身會(huì)消耗一部分功率,使開(kāi)關(guān)電源的效率下降,更要命的是這種消耗會(huì)通過(guò)電感升溫的方式進(jìn)行,這樣又會(huì)降低電感的感值,增大紋波電流和紋波電壓,所以對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)講,應(yīng)根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的DCR典型值或最大值的基礎(chǔ)上,盡可能選擇DCR小的電感。
3.3 飽和電流I(SAT)和均方根電流I(RMS)(電感燒毀問(wèn)題)
電感的飽和電流I(SAT)指其感值下降了標(biāo)稱值的10%~30%所能通過(guò)的最大電流。如圖3-3-2所示,4.7uH電感下降為3.3uH時(shí)的電流約為900mA,因此其I(SAT)(30%)是900mA。
電感的均方根電流I(RMS)指電感溫度由室溫25℃上升至65℃時(shí)能通過(guò)的均方根電流。
I(SAT)和I(RMS)的大小取決于電感磁飽和與溫度上升至65℃的先后順序。
當(dāng)標(biāo)稱輸出電流大于I(SAT)時(shí),電感飽和,感值下降,紋波電流、紋波電壓增大,效率降低。因此,電感的I(SAT)和I(RMS)中的最小值應(yīng)高于開(kāi)關(guān)電源額定輸出電流的1.3以上。
四、電感類(lèi)型選取
在明確了最小電感值的計(jì)算和電感參數(shù)的選取后,有必要對(duì)市面上一些流行的電感類(lèi)型
做比較分析,下面會(huì)圍繞:大電感和小電感、繞線電感和疊層電感、磁屏蔽電感和非屏蔽電感進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。
4.1 同尺寸下的大電感和小電感
這里“同尺寸”指電感的物理形狀大致相同,“大小”指標(biāo)稱容量不同。一般小容量的電感具有如下優(yōu)勢(shì):
較低的DCR,因此在重載時(shí)會(huì)有更高的效率和較少的發(fā)熱;
更大的飽和電流;
更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度;
而大容量的電感具有較低的紋波電流和紋波電壓,較低的AC和傳導(dǎo)損失,在輕載時(shí)有較高的效率。圖4-1-1所示是Taiyo Yuden三種 2518封裝不同容量大小的電感負(fù)載電流跟效率的關(guān)系曲線。
4.2 繞線電感和疊層電感
相比于繞線電感,疊層電感具有如下優(yōu)勢(shì):
較小的物理尺寸,占用較少的PCB面積和高度空間;
較低的DCR,在重載時(shí)有更高的效率;
較低的AC損失,在輕載時(shí)有更高的效率;
但是,疊層電感的SATI也較小,因此其在重載時(shí)會(huì)有較大的紋波電流,導(dǎo)致輸出的紋波電壓也相應(yīng)增大。圖4-2-1所示是Taiyo Yuden的兩種繞線電感與三星的兩種疊層電感負(fù)載電流和效率的關(guān)系曲線。
4.3 磁屏蔽電感和非屏蔽電感
非屏蔽電感會(huì)有較低的價(jià)格和較小的尺寸,但也會(huì)產(chǎn)生EMI。磁屏蔽電感會(huì)有效屏蔽掉EMI,因此更適合無(wú)線設(shè)備這樣EMI敏感的應(yīng)用,此外它還具有較低的DCR。
五、電感選取總結(jié)
根據(jù)前面幾節(jié)內(nèi)容的介紹,我們可以按照以下步驟選擇適合的電感:
(1) 計(jì)算L(min)和推薦電感參數(shù):f(o)、R(DC)、I(SAT)、I(RMS);
(2) 在保證(1)的前提下,依據(jù)物理尺寸要求和性價(jià)比,折中選擇:大電感還是小電感,疊層電感還是繞線電感,磁屏蔽電感還是非屏蔽電感。
六、開(kāi)關(guān)電源布局
以Buck電路為例,不管開(kāi)關(guān)管是由閉合-打開(kāi)還是打開(kāi)-閉合,電流發(fā)生瞬變的部分都如圖(c)所示,它們是會(huì)產(chǎn)生非常豐富的諧波分量的上升沿或下降沿。通俗的講,這些會(huì)產(chǎn)生瞬變的電流跡線(trace)就是所謂的“交流”(AC current),其余部分是“直流”(DC current)。當(dāng)然這里交直流的區(qū)別不是傳統(tǒng)教科書(shū)上的定義,而是指開(kāi)關(guān)管的PWM頻率只是“交流”FFT變換里的一個(gè)分量,而在“直流”里這樣的諧波分量很低,可忽略不記。所以儲(chǔ)能電感屬于“直流”也就不奇怪,畢竟電感具有阻止電流發(fā)生瞬變的特性。因此,在開(kāi)關(guān)電源布局時(shí),“交流”跡線是最重要和最需要仔細(xì)考慮的地方。這也是需要牢記的唯一基本定律(only basic rule),并適用于其它法則和拓?fù)洹O聢D表示了Boost電路電流瞬變跡線,注意它和Buck電路的區(qū)別。
1inch長(zhǎng),50mm寬,1.4mil厚(1盎司)的銅導(dǎo)線在室溫下的電阻為2.5mΩ,若流過(guò)電流為1A,則產(chǎn)生的壓降是2.5mV,不會(huì)對(duì)絕大部分IC產(chǎn)生不利影響。然而,這樣1inch長(zhǎng)的導(dǎo)線的寄生電感為20nH,由V=L*dI/dt可知,若電流變化快速,可能產(chǎn)生很大的壓降。典型的Buck電源在開(kāi)關(guān)管由開(kāi)-關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬變電流是輸出電流的1.2倍,由關(guān)-開(kāi)是產(chǎn)生的瞬變電流是輸出電流的0.8倍。FET型開(kāi)關(guān)管的轉(zhuǎn)換時(shí)間是30ns,Bipolar型的是75ns,所以開(kāi)關(guān)電源“交流”部分1inch的導(dǎo)線,流過(guò)1A瞬變電流時(shí),就會(huì)產(chǎn)生0.7V的壓降。0.7V相比于2.5mV,增大了近300倍,所以高速開(kāi)關(guān)部分的布局就顯得尤為重要。
盡可能地把所有外圍器件都緊密地放在轉(zhuǎn)換器的旁邊,減少走線的長(zhǎng)度會(huì)是最理想的布局方式,但限于極其有限的布局空間,實(shí)際往往做不到,因此有必要根據(jù)瞬變壓降的嚴(yán)重程度按優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行。對(duì)Buck電路,輸入旁路電容須盡可能靠近IC放置,接下來(lái)是輸入電容,最后是二極管,采用短而粗的跡線將其一端與SW相連,另一端與地相連。而對(duì)Boost電路布局來(lái)說(shuō),則是按輸出旁路電容,輸出電容和二極管的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行布局。
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