線(xiàn)路板设计提高效率并减轻Buck转换器的功耗

2020-11-09

确定電(diàn)感器和IC之间的最佳匹配对于实现PCB空间，散热和成本效率方面的最佳性能(néng)至关重要。

当今高度发达的功率IC需要出色的功率電(diàn)感器。构建具有(yǒu)通用(yòng)尺寸的标准電(diàn)源可(kě)以帮助减少设计时间和生产成本。确定電(diàn)感器和IC之间的最佳匹配对于实现PCB空间，散热和成本效率方面的最佳性能(néng)至关重要。

让我们探讨设计降压转换器时哪些参数最重要，以及如何将其与最佳電(diàn)感器配对。我们还将學(xué)习如何计算基本参数，并解释开关電(diàn)源IC和電(diàn)感器的一些要求，包括纹波電(diàn)流，電(diàn)感（L），饱和電(diàn)流（ISAT）和额定電(diàn)流（IR）。

当今電(diàn)子业的发展态势在过去的10年中，消费者逐渐期望技术将使他(tā)们的生活更轻松。同时，普通家庭中電(diàn)子产品的数量有(yǒu)所增加。连接性和電(diàn)子设备的不断增加的选择意味着这些设备必须变得更加高效才能(néng)保持竞争力。对于電(diàn)源设计人员而言，支持这种消费電(diàn)子方式转变的最佳方法是使用(yòng)一个采用(yòng)高性能(néng)部件的降压转换器将電(diàn)压从输入電(diàn)压转换為(wèi)必要的電(diàn)源轨。

最常见的電(diàn)源拓扑是降压或降压转换器。这些拓扑的主要组件是输入和输出電(diàn)容器，开关（例如MOSFET）和電(diàn)感器。这些设备的目的是调节输出電(diàn)压。高端和低端MOSFET与稳压器结合使用(yòng)时会派上用(yòng)场，并形成一个集成的降压稳压器IC。

选择具有(yǒu)最佳電(diàn)感器的合适IC并不是很(hěn)大的挑战。照顾好几个设计参数是成功选择与降压转换器配合使用(yòng)的電(diàn)感器，避免功率损耗和提高效率的关键。

图1：基本降压转换器原理(lǐ)图

降压转换器功率损耗和效率的基本原理(lǐ)降压转换器及其基本部件的框图使您可(kě)以清楚地了解哪些组件对效率有(yǒu)贡献，应该考虑哪些参数（见图1）。

当分(fēn)解降压转换器的效率和功率损耗时，我们可(kě)以看到，对功率损耗和效率影响最大的是MOSFET和電(diàn)感器。静态電(diàn)流和编程電(diàn)阻不是主要贡献者（见图2）。

图2：带有(yǒu)MPL-AL6060-15015μH電(diàn)感器的MPQ4572降压转换器的效率图

图3：降压稳压器的效率故障 

图3显示了负载為(wèi)2A的24V至5V降压转换器的效率细分(fēn)。電(diàn)感器和MOSFET的功耗為(wèi)870mW，而静态功耗仅增加了900μW。為(wèi)了获得最高效率并避免浪费能(néng)源，我们必须确保将最新(xīn)的开关元件与高性能(néng)電(diàn)感器耦合。

電(diàn)感（L）

根据经验，通常建议以30％至40％的纹波電(diàn)流开始转换器设计。这将导致由公式（1）计算的标称電(diàn)感（L）：

其中DC是转换器的占空比，VOUT是输出電(diàn)压，fSW是开关频率，ΔIL是纹波電(diàn)流。

对于此示例，输入電(diàn)压為(wèi)24V，输出電(diàn)压為(wèi)5V，纹波電(diàn)流為(wèi)800mA（平均2A负载），开关频率為(wèi)500kHz。利用(yòng)这些数字，我们可(kě)以计算出典型電(diàn)感為(wèi)9.89μH。 

纹波電(diàn)流（ΔIL）

纹波電(diàn)流（ΔIL）是叠加在平均负载電(diàn)流上并流过主功率電(diàn)感器以对输出電(diàn)容器（COUT）充電(diàn)的低频AC電(diàn)流量。纹波電(diàn)流可(kě)用(yòng)公式（2）估算：

图4：平均负载電(diàn)流时的纹波電(diàn)流

图5：24V Buck转换器的電(diàn)感器電(diàn)流（蓝色）和开关节点電(diàn)压（黄色）

图4显示了重要的设计参数，包括峰值電(diàn)流（IPEAK）和平均電(diàn)流（IAVG）。该平均電(diàn)流是我们系统的预期负载電(diàn)流，并连接到降压转换器的输出。纹波電(diàn)流（ΔIL）的一半加到平均负载電(diàn)流上，形成峰值電(diàn)流。对于成功且高效的降压转换器设计，至关重要的是電(diàn)感器的饱和電(diàn)流（ISAT）超过峰值電(diàn)流。

图5显示了一个优化的24V至5V降压转换器的示例，该转换器将MPS的MPQ4572与15μH電(diàn)感器（MPL-AL6060-150）结合使用(yòng)。纹波電(diàn)流在2A负载電(diàn)流附近振荡，具有(yǒu)理(lǐ)想的三角波形。

饱和電(diàn)流（ISAT）由于现代電(diàn)感器中使用(yòng)的铁磁材料的物(wù)理(lǐ)特性，匝数和電(diàn)感（L）越大，饱和電(diàn)流（ISAT）就越低。图6显示了典型的ISAT图。从该图可(kě)以看出，在2A负载電(diàn)流下，有(yǒu)效電(diàn)感為(wèi)13μH。

 

图6：饱和電(diàn)流（ISAT）与電(diàn)感電(diàn)流（IL）的关系 

图7：饱和電(diàn)流过低的電(diàn)感器電(diàn)流（蓝色）和开关节点電(diàn)压（黄色）

作為(wèi)電(diàn)源设计人员，必须牢记的是，随着流过電(diàn)感器的電(diàn)流的增加，電(diàn)感会减小(xiǎo)。温度升高会降低有(yǒu)效電(diàn)感。取决于電(diàn)感器中使用(yòng)的技术，结构和材料，饱和電(diàn)流的曲線(xiàn)可(kě)以稳定到几安培。

由于高效電(diàn)感器具有(yǒu)软饱和和降压转换器，因此IC具有(yǒu)诸如峰值電(diàn)流限制之类的保护功能(néng)。这意味着无法选择错误的電(diàn)感器。即使電(diàn)感过高或过低，我们仍然会看到合理(lǐ)的结果。但是，在饱和電(diàn)流上具有(yǒu)足够的裕度很(hěn)重要，因為(wèi)不足的裕度会导致系统效率低下。较低的饱和電(diàn)流会导致電(diàn)感器電(diàn)流急剧尖峰（请参见图7）。

额定電(diàn)流（IR）和直流電(diàn)阻（RDC）另一个要考虑的重要参数是额定電(diàn)流（IR）。请记住，随着電(diàn)感的增加，额定電(diàn)流（IR）会减小(xiǎo)。展望未来，我们可(kě)以直接使用(yòng)平均负载電(diàn)流作為(wèi)有(yǒu)效温升（ΔT）的估算值。

由于铜绕组内部的直流损耗，温度升高与自热直接相关。这意味着直流電(diàn)阻越低，自热越好，電(diàn)感的额定電(diàn)流（IR）越高。

 

图8：额定電(diàn)流图

形成電(diàn)感器線(xiàn)圈的漆包铜線(xiàn)的直径在较小(xiǎo)的封装尺寸中较小(xiǎo)。这导致较高的直流電(diàn)阻，直流损耗和较低的IR。对于成功的降压转换器设计，在封装尺寸和额定電(diàn)流之间选择一个好的折衷方案很(hěn)重要。根据经验，在正常工作条件下，温度升高20°C至30°C是可(kě)靠的起点（见图8）。就EMC而言，在PCB上具有(yǒu)非常小(xiǎo)的组件也很(hěn)重要，因為(wèi)热环路会变得更小(xiǎo)。

使電(diàn)感器和降压稳压器匹配以实现最佳效率现在，我们已经了解了基础知识，找到降压转换器的最佳效率意味着我们需要选择一种性能(néng)匹配的稳压器IC和電(diàn)感器。如果我们忽略電(diàn)感器的交流损耗和MOSFET的过渡损耗，则可(kě)以关注直流功率损耗。

任何导體(tǐ)的功率损耗（PLOSS）均可(kě)通过公式（3）计算：

由于MOSFET具有(yǒu)导通和关断时间，因此开关MOSFET的导通损耗并不总是在整个开关周期内加在一起。当高端MOSFET（HS-FET）导通时，它给我们带来的功率损耗乘以占空比（DC）。通过将電(diàn)感器的DC電(diàn)阻（RDC）与MOSFET的RDS（ON）进行比较，我们可(kě)以使用(yòng)RDS（ON）的一部分(fēn)进行匹配。（RDC）和（DC x RDS（ON））这两个词应彼此接近。它们不需要完全相等，但是我们可(kě)以在接近的条件下（在mΩ以内）看到最佳效率。

例如，对于24V至5V的转换，占空比為(wèi)VOUT / VIN = 0.208，这意味着HS-FET仅在20.8％的时间内传导電(diàn)感電(diàn)流。这意味着传导损耗仅占总传导损耗的20.8％。但是，低端MOSFET（LS-FET）的電(diàn)感電(diàn)流為(wèi)79.2％，这在大多(duō)数时间都是导通的。这就是為(wèi)什么大多(duō)数现代降压稳压器具有(yǒu)不同比例的MOSFET开关的原因。

為(wèi)了最大程度地降低损耗并在尺寸，性能(néng)和成本之间实现有(yǒu)效折衷，首先要使電(diàn)感器的直流電(diàn)阻与MOSFET的RDS（ON）之比匹配。

由于现代降压转换器的导通電(diàn)阻范围从几十到数百mΩ，因此最佳性能(néng)可(kě)以与使用(yòng)圆形或扁平铜線(xiàn)以及模制铁氧體(tǐ)化合物(wù)的小(xiǎo)型高导電(diàn)功率電(diàn)感器相媲美。