如何为电压调节器设计选择合适的电容.doc
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1、如何为电压调节器设计选择合适的电容模块化DC-DC开关电压转换器(或稳压器)是完全集成的器件,可以消除电源设计的大部分复杂性 - 但并非全部。设计工程师可自行决定的关键领域之一是选择能量存储和滤波电路的元件和布局。原则上,这些看似简单的电路包括一些电阻器,电容器和储能元件,通常是电感器。但是,这种简单性掩盖了与开关稳压器相关的绝大多数问题无关的事实。与模块本身,而不是在输入滤波器和能量存储和滤波电路中不正确使用电容器。选择错误类型的电容器,使所需电容稍微不正确或错位无源器件会导致功能完善的稳压器模块产生过多的电磁干扰(EMI)。在更糟糕的情况下,选择不良的电容会导致良好的电压调节器变得不稳定并
2、过早失效。本文介绍如何为模块化电压调节器的外部电路选择正确的电容器,并描述如果出现问题,可能会出现问题。做出了糟糕的选择。处理EMI开关稳压器因其高效灵活而受到欢迎。但是,需要权衡利弊。芯片更昂贵,占用更多空间,对负载变化具有相对慢的瞬态响应,并且由于开关操作,可能难以防止来自开关电路的EMI辐射到输入和输出侧。解决EMI的最佳方法是针对源,在开关稳压器中通常是功率场效应晶体管(FET),特别是当它关闭时。图1显示了一个基本的降压(“降压”)稳压器。当功率FET(“Q1”)导通时,电流如箭头所示在电路周围流动。当Q1关断时,最靠近Q1的电感器末端的电压被强制摆动为负,直到二极管通过导通来响应以
3、保持通过电感器的电流恒定。但是,由于二极管无法在零时间内导通,因此当二极管最终导通时,电压会超过二极管压降,然后产生纹波(或“振铃”)。即使使用肖特基二极管,寄生走线电感仍会引起一些波纹。这种波纹在20-100 MHz范围内产生EMI。图1:基本降压开关电压调节器电路,显示Q1导通时的电流(德州仪器提供)。 一种经过验证的减少由振铃引起的EMI的方法是增加一个RC“缓冲器”,包括一个陶瓷电容器和碳膜电阻器,靠近FET,如图2所示。缓冲器起作用,因为当FET关闭并停止采购时在电流中,缓冲电容器提供足够的电流,使得通过电感器的电流变化速率减慢,从而降低了二极管中波纹的发生率。适当选择缓冲电路的元件
4、值,它们将抑制确实发生的任何波纹。图2:RC缓冲电路有助于降低功率FET的EMI辐射(“Q1 “)(由德州仪器公司提供)。RC缓冲电路可将整体稳压器效率降低几个百分点。在轻负载时效率损失最多,因为缓冲器中消耗的功率相对恒定且与输出负载电流无关。(一些较新的开关稳压器模块将RC缓冲器集成到芯片中,为设计工程师节省了任务提出合适的电路。)除了降低EMI的RC缓冲电路外,设计工程师还需要在器件的前端选择一个电容器,以最大限度地减少由不连续引起的输入电压变化。开关电压调节器的输入电流。选择该电容时,输入电容的值不是主要考虑因素。而它是RMS电流和额定电压。输入电容(CIN)的RMS电流可以通过以下公式
5、计算:其中D是PWM方波占空比。最坏的情况发生在D = 50(即VIN = 2 x VOUT),产生IIN,RMS = IOUT/2.大容量输入电容的等效串联电阻(ESR)会导致器件在此RMS电流下发热。更高的ESR会增加发热量,因此一个好的起点是在预算的限制范围内指定一个ESR尽可能低的器件。陶瓷和钽电容器都适合作为开关稳压器电路的输入电容器。选择额定电压至少为最大输入电压1.5倍的陶瓷电容器。如果选择钽电容,则应选择额定电压至少为最大输入电压两倍的电压。建议使用与大容量电容并联的小型陶瓷电容用于高频去耦。LC输出滤波器电源设计工程师可能选择的最重要的电容器选择是电压调节器LC输出滤波器的元
6、件选择。该电路的工作是在其输入端(开关节点)对电压方波进行滤波,以在其输出端产生恒定的稳压电压(VOUT)。在稳态条件下的降压转换器中,平均电流为电感(IL)等于输出电流IOUT。由于输入是方波,电感电流不是恒定的,而是随着输入电压的接通和断开而在最大值和最小值之间波动。最大值和最小值之间的差值(IL)称为峰峰值电感电流纹波(图3)。图3:响应电压输入的电感电流纹波方波。在LC输出滤波器中,电容的作用是保持恒定的输出电压(VOUT)并限制任何电压尖峰。实际上,实际上不可能消除目标值附近的电压变化,这表现为最大值和最小值之间的振荡,其差值(VOUT)称为峰峰值电压纹波。电压纹波是电感纹波电流,开
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