因此,请记住应该向厂商索取在应用的预定直流偏置电压下的电容值曲线。例如,采用2.5V输出电压时,系统设计人员必须查看2.5V时的直流偏置。使开关稳定性最好的最小电容值可在开关的规格说明书中查到。在确定用于便携式电源解决方案材料清单(BOM)的电容双重来源时,厂商间的差异也必须考虑到。
上述决策不应该留给采购人员,除非他们能给出很好的建议。电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线,如电容量随温度的变化曲线,另一条是电容量随直流偏置的变化曲线。不过,他们不会同时给出两条,但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要系统最常用电压的综合曲线。
例如,基带内核微处理器的常用电压有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盘驱动器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器电源的输出电压范围为0.8 到3.4V。
选择输入电容时,必须考虑到输入电压范围。对锂离子电池而言,这个范围为3 到 4.3V,当插入充电器时,可高达5.5V。
从系统的角度来看,阻抗/ESR与频率的关系曲线也很重要。用于2MHz开关的电容可能并不适合于5MHz开关。开关设计中,电容的谐振频率是一关键规格参数。当开关频率接近输出电容的谐振频率时,输出电压纹波最小。
例如,4.7μF和10μF 0603电容的谐振频率范围都为2 到 3MHz。但1μF 0603电容的谐振频率在6MHz左右,1μF 0402电容的近10MHz。工作频率高于谐振频率时,阻抗实际上是电感性的。如果没有正确的补偿,将产生稳定性问题,且开关的纹波增加。最后但并非不重要的是,陶瓷电容的生产容限是在1 kHz频率、1V rms或0.5V rms电压下规定/测试的,但实际应用的条件差异非常大。在较低的rms电压下,电容额定值要小得多。对一个典型的开关,纹波电压范围为5到30mV。
设计人员在考虑无源器件时,他们想到的是电感电容的生产容限,一般为± 20% 或±10%。这在理论上是对的,但在实际应用中却不然。本文介绍电容电感易受影响的一些参数以及系统设计人员必须了解的知识,并讨论如何为最小但最高效的便携式电源系统解决方案选择外部元件。
选择电感
为便携式电源应用选择电感,需要考虑的最重要的三点是：尺寸大小、尺寸大小,第三还是尺寸大小。移动电话的电路板面积十分紧俏珍贵,随着MP3 播放器、电视和视频等各种功能被增加到电话中时,尤其如此。功能增加也将增加电池的电流消耗量。因此,以前一直由线性调节器供电或直接连接到电池上的模块需要效率更高的解决方案。实现更高效率解决方案的第一步是采用磁性降压转换器。正如其名称所暗示的,这时需要一个电感。
电感的主要规格除尺寸大小外,还有开关频率下的电感值、线圈的直流阻抗(DCR)、额定饱和电流、额定rms电流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根据应用的不同,电感类型的选择――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。
类似于电容中的直流偏置,厂商A的2.2μH电感可能与厂商B的完全不同。在相关温度范围内电感值与直流电流的关系是一条非常重要的曲线,必需向厂商索取。在这条曲线上可以查到额定饱和电流(ISAT)。ISAT一般定义为电感值降量为额定值的30%时的直流电流。某些电感生产商没有规定ISAT。他们可能之给出了温度高于环境温度40 ?C时的直流电流。
DCR引起传导损耗,在输出电流较高时影响效率。ESR随工作频率的提高而增加,在输出电流较小时影响占主导地位的开关损耗。ESR与Q因子成正比。相同频率下,低ESR电感的Q因子更高。在电感满足所有其它规格时,为什么系统设计人员还应考虑ESR和Q因子呢？
当开关频率超过2MHz时,必需格外关注电感的交流损耗。规格说明书中列出比较的不同厂商的电感的ISAT和DCR在开关频率下可能有极为不同的交流阻抗,导致轻负载下显著的效率差异。这一点对提高便携式电源系统中电池的寿命至为重要,因为系统大部分的时间是处于睡眠、待机或低功率模式下的。
由于电感生产厂商很少提供ESR和Q因子信息,设计人员应该主动向他们索取。厂商给出的电感与电流关系也往往只限于25 ?C,故应该索取工作温度范围内的相关数据。最坏情况一般是85 ?C。
图3给出了各种电感的交流阻抗与频率的关系。考虑一个降压转换器的例子,其规格参数如下：FSW=2MHz,VIN=5.5V,L=2.2 μH,VOUT=1.5V,I=0 到600MA,ΔI=289MA (计算值)。
参见图3,2.2μH额定电感在低频下的DCR为0.2Ω,2MHz下的ESR为1Ω。电感引起的直流损耗和交流损耗可用下式计算：
DC损耗=I2×DCR
AC损耗=(dΔI2)/12×ESR
由上式可知,输出电流较高时,低频或直流损耗占主导地位;输出电流较低时,交流损耗占主导地位。ΔI是转换器的峰峰值纹波电流,在连续传导工作模式中,输出电流高和低时其幅度都一样。由数学计算可知,I=600MA时,电感总体损耗的91%是直流损耗;I=50mA时,电感总体损耗的93%是交流损耗。
图4a (ESR) 和 4b (Q)给出了厂商A(低 ESR,高Q值)和厂商B(高ESR,低Q值)的电感,还显示了采用这些电感(图4c) 的2MHz转换器的效率曲线。从这些数据判断,即使厂商A有较高的DCR,它也能在轻负载下提供更高的效率。
