如何為便攜式系統選擇電容和電感元件

作者：時(shí)間：2011-03-06 來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )

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因此,請記住應該向廠(chǎng)商索取在應用的預定直流偏置電壓下的電容值曲線(xiàn)。例如,采用2.5V輸出電壓時(shí),系統設計人員必須查看2.5V時(shí)的直流偏置。使開(kāi)關(guān)穩定性最好的最小電容值可在開(kāi)關(guān)的規格說(shuō)明書(shū)中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單(BOM)的電容雙重來(lái)源時(shí),廠(chǎng)商間的差異也必須考慮到。

上述決策不應該留給采購人員,除非他們能給出很好的建議。電容器生產(chǎn)商往往喜歡出示單獨的曲線(xiàn),如電容量隨溫度的變化曲線(xiàn),另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線(xiàn)。不過(guò),他們不會(huì )同時(shí)給出兩條,但實(shí)際應用恰恰需要兩條。應該記住向生產(chǎn)廠(chǎng)商索要系統最常用電壓的綜合曲線(xiàn)。

例如,基帶內核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤(pán)驅動(dòng)器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器電源的輸出電壓范圍為0.8 到3.4V。

選擇輸入電容時(shí),必須考慮到輸入電壓范圍。對鋰離子電池而言,這個(gè)范圍為3 到 4.3V,當插入充電器時(shí),可高達5.5V。

從系統的角度來(lái)看,阻抗/ESR與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)也很重要。用于2MHz開(kāi)關(guān)的電容可能并不適合于5MHz開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)設計中,電容的諧振頻率是一關(guān)鍵規格參數。當開(kāi)關(guān)頻率接近輸出電容的諧振頻率時(shí),輸出電壓紋波最小。

例如,4.7μF和10μF 0603電容的諧振頻率范圍都為2 到 3MHz。但1μF 0603電容的諧振頻率在6MHz左右,1μF 0402電容的近10MHz。工作頻率高于諧振頻率時(shí),阻抗實(shí)際上是電感性的。如果沒(méi)有正確的補償,將產(chǎn)生穩定性問(wèn)題,且開(kāi)關(guān)的紋波增加。最后但并非不重要的是,陶瓷電容的生產(chǎn)容限是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規定/測試的,但實(shí)際應用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下,電容額定值要小得多。對一個(gè)典型的開(kāi)關(guān),紋波電壓范圍為5到30mV。

設計人員在考慮無(wú)源器件時(shí),他們想到的是電感電容的生產(chǎn)容限,一般為± 20% 或±10%。這在理論上是對的,但在實(shí)際應用中卻不然。本文介紹電容電感易受影響的一些參數以及系統設計人員必須了解的知識,并討論如何為最小但最高效的便攜式電源系統解決方案選擇外部元件。

選擇電感

為便攜式電源應用選擇電感,需要考慮的最重要的三點(diǎn)是：尺寸大小、尺寸大小,第三還是尺寸大小。移動(dòng)電話(huà)的電路板面積十分緊俏珍貴,隨著(zhù)MP3 播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話(huà)中時(shí),尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此,以前一直由線(xiàn)性調節器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實(shí)現更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉換器。正如其名稱(chēng)所暗示的,這時(shí)需要一個(gè)電感。

電感的主要規格除尺寸大小外,還有開(kāi)關(guān)頻率下的電感值、線(xiàn)圈的直流阻抗(DCR)、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據應用的不同,電感類(lèi)型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。

類(lèi)似于電容中的直流偏置,廠(chǎng)商A的2.2μH電感可能與廠(chǎng)商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線(xiàn),必需向廠(chǎng)商索取。在這條曲線(xiàn)上可以查到額定飽和電流(ISAT)。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時(shí)的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒(méi)有規定ISAT。他們可能之給出了溫度高于環(huán)境溫度40 ?C時(shí)的直流電流。

DCR引起傳導損耗,在輸出電流較高時(shí)影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加,在輸出電流較小時(shí)影響占主導地位的開(kāi)關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下,低ESR電感的Q因子更高。在電感滿(mǎn)足所有其它規格時(shí),為什么系統設計人員還應考慮ESR和Q因子呢？

當開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)2MHz時(shí),必需格外關(guān)注電感的交流損耗。規格說(shuō)明書(shū)中列出比較的不同廠(chǎng)商的電感的ISAT和DCR在開(kāi)關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗,導致輕負載下顯著(zhù)的效率差異。這一點(diǎn)對提高便攜式電源系統中電池的壽命至為重要,因為系統大部分的時(shí)間是處于睡眠、待機或低功率模式下的。

由于電感生產(chǎn)廠(chǎng)商很少提供ESR和Q因子信息,設計人員應該主動(dòng)向他們索取。廠(chǎng)商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25 ?C,故應該索取工作溫度范圍內的相關(guān)數據。最壞情況一般是85 ?C。