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一、输入电容C~IN~的选择1.1输入电容容值选择1.2 纹波电流(温度有关的量)1.3 额定电压1.4 关于电容的ESR1.5关于C~IN~的摆放问题
二、功率电感L的选择2.1 电感值的计算
三、C~OUT~的选择四、小工具
在写这篇博客之前,我想开始我的废话文学 “有时候很难把一个东西写的既透彻,又全面,还有针对性。” 我复盘了一下我的学习过程: 1、我们很难只从一本书、一篇博客、一篇帖子、一篇技术文章掌握到全面的知识。 2、所以要多方面收集关于细节方面的知识,并且用自己的语言整理和归纳。最后这篇帖子可能不满足全面、清晰的要求,但是它是你在整个学习过程中,针对自己之前掌握知识 最好的 补充。所以,笔记这个东西看别人的是没有用的,而即使自己写了不看,也比不写 会让你进步的更快。 3、推翻第二条(都说了是废话文学),希望我的这篇博客,大家看完后有收获,能进步。O(∩_∩)O 好了,我们进入正题了。 开关电源buck的工作电路原理图如下:
那么第二个问题:纹波从哪里来?本质是开关管的两种工作状态,更为本质是我们要降压。既然使用DC-DC,那么纹波不可消灭,只能尽可能降低。这是这个电路的基因。如何尽可能降低?那就是选择合理的感值、容值及其合理的其他特性参数,e.g. ESR ESL DCR 等。电路如何安全、可靠的工作?这就涉及到额定值:对电容来说就是额定电压、额定纹波电流;电感来说就是饱和电流、温升电流。 一、输入电容CIN的选择 为什么要加输入电容? 答:为了降低输入电压纹波。降低输出纹波,稳定输出电压。 在存在CIN的条件下,合理的选择CIN的值,使输入电压纹波降低带来的好处? 答:①减小电容上的功率消耗;②增加电容的使用寿命。 输入电压纹波与选择CIN 的ESR直接相关。而输入的电压纹波来源于电容上的纹波电流。所以我们要先分析电容的纹波电流。电路有两种工作状态:开关管的ON 或者OFF 状态。其实在下面的分析中,所有参数的都要分析开关管的ON/ OFF状态。
那么充电和放电电流是多少呢? 答:见下图↓↓ 根据开关ON/OFF时,电容的充放电平衡可以得到: 洁仔遇到过的调试问题: 因为CIN不够,导致上电后输出电压持续下降的现象。原因就是输入电容容值过小,在充电时没有存储足够的能量,导致开关管开启以后,供流不够,导致电压下降。 比如ST的一款DC-DC芯片:ST1S06,在数据手册里面写输入电容可以大,而且没有限制。
1、偏压效应(DC bias voltage) 参考文章电容的偏压效应(仅仅针对陶瓷电容),尤其当电压比较高时,偏压效应会导致容值的大幅减小,电解电容和钽电容不存在这个问题; 2、容值的精度范围;±10% or ±20% 3、电容的温度曲线;X5R 和 X7R都是±15%,两者温度范围有所不同。Z5U是-56%~+22%,还要注意一点,电容的温度曲线不是单调的。 总之,要将所有影响容值的因素都要考虑进去,然后保证在最恶劣的条件下,选取的电容值仍然≥CINmin 1.2 纹波电流(温度有关的量)现推导流经输入电容纹波电流的有效值: 纹波电流的定义在额定温度下,达到一定温升(比如10℃或者5℃)时对应的电流。电容的温度上升是由于ESR导致的。那么为什么关注纹波电流?因为温度上升导致电容长时间工作于最大管芯温度(甚至是超过),这会大大缩短电容的使用寿命,从这个意义来说,这是一个与可靠性有关的量,即使选型不当,问题也不会立刻暴露出来。 纹波电流也需要一定的裕量,也就是降额。一般来说比例系数:85%-100%。 如果单个电容不能满足设计要求,可以使用多个电容并联,这样可以使单个电容上的脉动电流降低。 1.3 额定电压一个直觉的反应是:电容的额定电压由输入电压决定,但为了电路安全稳定可靠地工作,一般在标定的额定电压下降额使用。降额多少这是个问题。 如果电容是理想电容,那么电容的电压是不能突变的。但是实际的电容由于寄生,都会存在ESR。那么当流经电容的电流大小和方向变化时,其两段的瞬时电压其实是会变化的。比如:
1、三角波的产生是由于电容充放电导致的; 2、三角波上叠加的阶跃变化,是由于ESR; 3、毛刺和尖峰的产生,是由于ESL 所以说,输入电容的ESR会直接影响输入的电压纹波。 所以输入电压纹波由两部分影响:1、电容的充放电导致DC-DC芯片输入端口电压的波动;2、电容的ESR。 CIN越大,当然纹波电压越小;但当增加到一定程度后,ESR的作用开始明显。 那么什么类型的电容的ESR比较小呢?这是我们需要关心的问题。 最毋庸置疑的当然是多层陶瓷电容MLCC的ESR是最小的,但是MLCC也有一定的缺点:大容量(一般就是大封装)的MLCC的机械性能不好,易产生裂纹导致电容失效,还有就是偏压特性导致容量下降等。 那是不是铝电容或者钽电容就一定不能选呢? 用多聚合物做电解电容的阴极,可以极大的降低电解电容ESR。至于降低多少,取决于多聚合使用的材料,比如PPY(聚吡咯),其电导率是电解液的10000倍,可达100S/cm。使用该工艺制作的铝电容,具有极低的ESR(可以与MLCC相差无几),所以降纹波能力强,可以允许通过更大的纹波电流;而且频率变化时,容量比较稳定。 因为制作工艺的不同,高分子聚合物的铝电容,每层铝箔都与电极短接;而高分子的钽电容的阳极只有一根钽丝(与MnO2钽电容类似),所以高分子聚合物的钽电容的ESR还是相对较高。 不同类型的电容的ESR比较,附图如下: 靠近regulator输入电压引脚放置小电容。 说一个与电感有关的buck电源(根据流经电感的电流变化)的分类: CCM:连续导通模式 BCM:临界导通模式 DCM:断续导通模式 FCCM:强制连续导通模式,电流可以为负的,也就是COUT对电感反向充电,一般来说FCCM模式出现在对效率要求不高,但对纹波要求较高,且负载调节能力较强的场合。 2.1 电感值的计算先介绍一个概念“伏秒平衡” 当电路稳定以后,一定有电感的储能=电感的释能,那么一定有△ION= △IOFF 电流的纹波△I: 2、输出电流越大,L越小;即在轻载模式下,应该增加L的感值。 功率电感的手册给出的指标参数: 1、电感值:测试电压、测试频率、精度 2、DCR:最大值、典型值 3、SRF 4、ISat:饱和电流,值电感值下降到一定比例后(比如30%)对应的电流大小;
注:不同的厂家对指标的定义是不同的,一定要看指标的定义。 关于Cout的选择,之前这一部分一直没有写,因为我自己也没有理解。后面我看了一篇知乎文章,手撕Buck!Buck公式推导过程…写的很好! (为了这篇博客的完整性,我还是将这一部分的内容补齐)
有: 1、输出电容的电流变化=功率电感的电流变化△IL 2、电容充放电的时间一样,都是开关周期的一半(T/2) 1) 由电容容量引起的纹波: 一般来说,由ESR引起的纹波波动不会超过整个纹波的20%。 四、小工具最后的最后,推荐一个超好的免费小资源,由TI公司提供。“buck稳压器参数计算” |
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