為DC/DC轉換器選擇正確的電感器與電容器

隨著便攜式電子產品的體積在不斷縮小，其復雜性同時也在相應的提高。這使得設計工
程師面臨的問題越來越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。本文以德州儀器
TPS6220x 系列降壓穩壓器為例，向設計工程師介紹在權衡解決方案的占用空間、性能以及
成本時，如何為DC/DC 轉換器選擇正確的電感器與電容器。
隨著手機、PDA 以及其它便攜式電子產品在不斷小型化，其復雜性同時也在相應提高，
這使設計工程師面臨的問題越來越多，如電池使用壽命、占板空間、散熱或功耗等。
使用DC/DC 轉換器主要是為了提高效率。很多設計都要求將電池電壓轉換成較低的供
電電壓，盡管采用線性穩壓器即可實現這一轉換，但它并不能達到基于開關穩壓器設計的高
效率。本文將介紹設計工程師在權衡解決方案的占用空間、性能以及成本時必須要面對的常
見問題。
大信號與小信號響應
開關轉換器采用非常復雜的穩壓方法保持重/輕負載時的高效率。現在的CPU 內核電源
要求穩壓器提供快速而通暢的大信號響應。例如，當處理器從空閑模式切換至全速工作模式
時，內核吸收的電流會從幾十微安很快地上升到數百毫安。
隨著負載條件變化，環路會迅速響應新的要求，以便將電壓控制在穩壓限制范圍之內。
負載變化幅度和速率決定環路響應是大信號響應還是小信號響應。我們可根據穩態工作點定
義小信號參數。因此，我們一般將低于穩態工作點10％的變化稱為小信號變化。
實際上，誤差放大器處于壓擺范圍(slewlimit)內，由于負載瞬態發生速度超過誤差放大
器的響應速度，放大器并不控制環路，所以，在電感器電流達到要求之前，由輸出電容器滿
足瞬態電流要求。
大信號響應會暫時使環路停止工作。不過，在進入和退出大信號響應之前，環路必須提
供良好的響應。環路帶寬越高，負載瞬態響應速度就越快。
從小信號角度來看，盡管穩壓環路可以提供足夠的增益和相位裕度，但是開關轉換器在
線路或負載瞬態期間仍然可能出現不穩定狀態和振鈴現象。在選擇外部元件時，電源設計工
程師應意識到這些局限性，否則其設計就有可能遇到麻煩。
電感器選型
以圖1 所示的基本降壓穩壓器為例，說明電感器的選型。
對大多數TPS6220x 應用而言，電感器的電感值范圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取
決于期望的紋波電流。一般建議紋波電流應低于平均電感電流的20％。如等式1 所示，較高的VIN 或VOUT 也會增加紋波電流。電感器當然必須能夠在不造成磁芯飽和(意味著電感
損失)情況下處理峰值開關電流。

以增加輸出電壓紋波為代價，使用低值電感器便可提高輸出電流變化速度，從而改善轉
換器的負載瞬態響應。高值電感器則可以降低紋波電流和磁芯磁滯損耗。
可將線圈總損耗結合到損耗電阻(Rs)中，該電阻與理想電感(Ls)串聯，組成了一個如圖
1 所示的簡化等效電路。
盡管Rs 損耗與頻率有關，但在產品說明書中仍對直流電阻(RDC)進行了定義。該電阻
取決于所采用的材料或貼片電感器的構造類型，在室溫條件下通過簡單的電阻測量即可獲
得。RDC 的大小直接影響線圈的溫度上升。因此，應當避免長時間超過電流額定值。

圖1：TPS6220x 基本降壓穩壓器 來源:http://tede.cn
線圈的總耗損包括RDC 中的耗損和下列與頻率相關聯的耗損分量：磁芯材料損耗(磁滯
損耗、渦流損耗)；趨膚效應造成的導體中的其他耗損(高頻電流位移)；相鄰繞組的磁場損耗
(鄰近效應)；
輻射損耗
可將上述所有耗損分量組合在一起構成串聯耗損電阻(Rs)。耗損電阻主要用于定義電感
器的品質。然而，我們無法用數學方法確定Rs。因此，我們一般采用阻抗分析儀在整個頻
率范圍內對電感器進行測量。這種測量可以確定XL(f)、Rs(f)和Z(f)個別分量。
我們將電感線圈電抗(XL)與總電阻(Rs)之比稱為品質因素Q，參見公式(2)。品質因素被
定義為電感器的品質參數。損耗越高，電感器作為儲能元件的品質就越低。

品質—頻率圖可以幫助選擇針對特定應用的最佳電感器結構。如測量結果圖2 所示，可
以將損耗最低(Q 值最高)的工作范圍定義為一直延伸到品質拐點。如果在更高的頻率使用電
感器，損耗會劇增(Q 降低)。
良好設計的電感器效率降低微乎其微。不同的磁芯材料和形狀可以相應改變電感器的大
小/電流和價格/電流關系。采用鐵氧體材料的屏蔽電感器尺寸較小，而且不輻射太多能量。
選擇何種電感器往往取決于價格與尺寸要求以及相應的輻射場/EMI 要求。
輸出電容器
消除輸出電容器可以在成本和占板空間兩方面實現節省。輸出電容器的基本選擇取決于
紋波電流、紋波電壓以及環路穩定性等各種因素。
輸出電容器的有效串聯電阻(ESR)和電感器值會直接影響輸出紋波電壓。利用電感器紋
波電流((IL)和輸出電容器的ESR 可以簡單地估測輸出紋波電壓。
因此，設計時應當選用ESR 盡可能低的電容器。例如，采用X5R/X7R 技術的4.7uF 到
10uF 電容器表現為10m(范圍的ESR 值。輕負載(或者不考慮紋波的應用)也可以使用容值更
小的電容器。

圖2：品質-頻率圖：(a)Q 和頻率的關系；(b)RS 和頻率的關系。
TI 的控制環路架構使您能夠采用自己首選的輸出電容器，同時還可以補償控制環路，
以實現最佳的瞬態響應和環路穩定性。當然，內部補償能夠理想地支持一系列工作條件，而且能夠敏感地響應輸出電容器參數變化。
TPS6220x 系列降壓轉換器具有內部環路補償功能。因此，必須選擇支持內部補償功能
的外部LC 濾波器。對于此類器件而言，內部補償最適合16kHz 的LC 轉角頻率
(cornerfrequency)，即10uH 電感器與10uF 輸出電容器。根據一般經驗法則，在選用不同輸
出濾波器時，L*C 乘積不應當大范圍變動。在選擇更小的電感器或電容器值時，會造成轉角
頻率增加至更高頻率，因此這一點尤為重要。
在從負載瞬態出現到打開P-MOSFET 期間，輸出電容器必須提供負載所需的全部電流。輸
出電容器提供的電流會造成經過ESR 的電壓降低(從輸出電壓中扣除)。ESR 越低，輸出電
容器提供負載電流時的電壓損耗就越低。為了降低解決方案尺寸并且提升TPS62200 轉換器
的負載瞬態性能，建議采用4.7uH 電感器和22uF 輸出電容器。