01 Buck电路电感选型方法
开关电源从储能器件类型可以分为电感型的和电容型的。针对电感型的无论是Buck还是Boost,无论是升压降压或其他类型,电感在整个电路里起着非常重要的的作用。主要作用为储能并传递能量,储能的同时会对波形进行整形。
»如下图示:降压转换器由DC输入电源Vin、导通开关S、续流D二极管(单向导通)、储能元件L、输出电容C及负载R组成。
电感有储能并滤除交流成分的效果,储能和滤波的效果是否能满足要求,怎么去选取这个电感?电感有不同类型,构造,材料,参数(它的饱和电流,额定电流等),如何考虑和选取?下面主要来讨论电感的一个选取。
我们知道Buck电路有开关和闭合两种状态,这两种状态分别持续Ton,和断开Toff。
在Ton这段时间里就是闭合的,电流的变化量就是最大电流减去最小电流。
电流增量:
△I=Imax-Imin=(Vin-Vo)*Ton/L
断开之后,电感上面仍然有电流,只是电流在减小,减小的这个量就是最小电流减最大电流。
电流减量:
△I=Imin-Imax=-Vo/L*Toff
无论是增量还是减量,统称为电感电流的变化量△IL:
△IL=|Imin-Imax|=(Vin-Vo)*Ton/L=-Vo/L*Toff
而已知Buck电路的Vo=(Vo/T)*Vin,得:
Ton=(Vo/Vin)T=Vo/(Vinfswitch)
任意代入△IL=Ton*(Vin-Vo)/L,可得,流经电感的纹波电流(峰峰值交流成分)Iripple:
Iripple=(Vin-Vo)/L * Vo/(Vin*fswitch)
Iripple为峰峰值电流:
Iripple=Vo*(Vin-Vo)/LVinfswitch
=Ipeak(max)-Ipeak(min)
出达到稳态后,在某一开关周期内(电流对时间积分,左边绿色区域就是开关闭合时流经电感的电荷,右边紫色区域就是开关断开时流经电感的电荷):
得流经电感电流的有效值(均方根):
IRMS=[Ipeak(max)+Ipeak(min)]/2
当达到稳定状态的时候,流经电感的电流就等于输出电容和负载的电流:
IL=IC+Io
当输出达到稳态时:IRMS=Io(达到稳态的时候,流经负载R的电流就是电感电流的直流成分)
因此:
Io负载电流通常指的是最大输出电流。
交流部分就是他的纹波电流,纹波电流最后通过输出电容给它滤波。
为了使Buck工作是CCM模式,则需满足,流经电感的电流始终大于0(正向流通):
电感电流过小,带负载能力比较弱,属于轻载模式。如果电流为零,可能会出现不连续甚至震荡的情况,所以当有负载的时候,希望他维持在CCM这样的状态(持续电流模式)。要维持CCM电流,就是流经电感的电流要为正或要一直有电流,这个电流无论多大一直要有,不能停不能为零。
将纹波电流带入到小于两倍的输出电流之后,可得维持CCM电感的必要条件:
只要电感大于这个值,就以为着电感工作时始终有电流,就是维持了CCM的模式,这其实为我们选取电感提供了一个基本的指向。
那是不是只要大于维持CCM这个值,输出结果、性能、纹波就好了,其实不是。
让电感值处于维持CCM电感的必要条件时,它的电路性能是什么样子的?
仅维持CCM的最小电流即:
很显然,仅维持CCM电流,纹波太大,不符合我们的要求。
因此电感值要进一步加大,加大到多少?
设计一个Buck电路,这些参数都是我们预先需要考虑的。(后端负载对纹波的要求,设定一个什么样的开关频率,DCDC器件满足什么样的开关频率,是否可调)最后我们会得到电感感值L最小取值:
其中输入电压,输出电压,输出电流,开关频率,纹波率均为已知量。
通过前式:
★可以看到,电感越大,纹波越小,同时大感值电感会带来较大的封装尺寸;
★开关频率越高,纹波越小,同时提高开关频率会导致EMI恶化。
★无论是电感还是电容,它都有温度曲线或者材质的差异,有效值会出现衰减,所以在选取时,在L的基础上适当大一点。
可以在simulink中仿真,通过改变电感值或开关频率观察纹波电流的变化。
[额定电流]电感的额定电流要大于流经电感电流的有效值Irms(考虑器件温升),即最大输出电流。
[DCR]同时考虑能量损失及发热,也希望选取DCR(ESR)更小的电感,可能需要在尺寸和DCR之间平衡。(电感的理想模型是只有一个感值,那实际在生产过程中,封装过程中,它很多材料还有一些寄生参数,会有等效串联电阻。)
02 Buck电路电容值选取
电感在电路中起着储能的作用,电容它起着滤除交流成分的作用,电容是如何滤除交流成分的?
我们知道电容最基本的一个特性就是隔断直流通过交流。
交流成分流向电容,直流成分流向负载,当然还会存在一部分交流也流向负载,这是我们不希望看到的,因为我们希望有一个稳定恒定的输出。
电容它最本质的一个结构构造就是两片导体中间充斥着某种电介质,这时它有了一定的电容值。当电容两个金属片上有电荷的时候,他就会有电压,电荷传递的时候就会形成电流,所以当外界向电容传递电荷的时候,有电荷的移动就意味着有电流流向电容,同样当电容向外界释放时,那就有电流流出电容。所以把电容作为一个整体来看,电流可以流进电容,也可流出电容,就说明他可以通过交流。
输出电容的重要性
极端情况下,DCDC电路中没有输出电容,会发生什么?
DCDC,我们知道直流到直流,是电压之间的变换,功率之间的传递,我们希望一个稳定的恒压输出,那输出电容选什么样的输出电容,它的容值选取多少合适?
根据并联电路知:
Vo=Vc
因此输出电压的纹波,即输出电容上的纹波;
电容"配合"电感电流的变化;
从上图也可以看到,电容它的电流一直在正负的变化,就是一会电流充电,一会电流放电,只要电容上的电荷不变化,哪怕有基础电荷,电压直流加在电容两端,它上面有很多电荷,达到稳态的时候,电容两端并没有电流(有电荷无电流)。
根据电容的特性:C=Q/V,我们知道,一个电容只要两端有了电荷就会有电压,电荷变化会有电压,电压变化会带来电流:
i=C*dV/dt
★并联电容后,交流部分可通过;
★通过前面的分析流经电感电流分为两部分:
IL=IRMS+IAC(交流成分)
其中:
纹波电流和纹波电压
化简得:
★可以看到,电容值越大,输出纹波越小,同时大容值会带来较大的封装尺寸和成本;
★开关频率越高,输出电压纹波越小,同时提高开关频率会导致EMI恶化。
将上式继续转换,可得电容值C最值:
可以看到输出电压纹波与电感电流纹波率,输入电压,输出电压,开关频率,电感,输出电容等均有关系,尤其是后三因素。
为什么与电感,频率相关?
★LC低通滤波器:其中串联的电感L能阻断高频噪声,并联连接电容C来使高频噪声旁通的方式发挥作用。
★电感线圈对交流有限流作用,由电感的感抗公式可知,电感L越大,频率F越高,感抗就越大。
★电感线圈有通低频,阻高频的作用,这就是电感的滤波原理下面是LC滤波电路示例电感在电路最常见的作用就是与电容一起,组成LC滤波电路。具有"阻直流,通交流"的本领,而电感则有"通直流,阻交流,通低频,阻高频"的功能。
★交流干扰信号大部分将被电感阻止吸收变成磁能和热能,剩下的大部分被电容旁路到地。
★这就可以抑制干扰信号的作用,在输出端就获得比较纯净的直流电流。
LC低通滤波器中元件电感和电容的频率特性曲线;
LC低通滤波器的衰减曲线图,可以计算带宽,截止频率等;
左图电容、电感的频率特性曲线,电容电感组成的滤波器它有一定的带宽、截止频率,右图是衰减曲线图,这个可以衡量Buck电路到后端低通滤波的效果怎么样。
输出电容选取
[电容值与误差]通过前面分析,较高的输出电容值可降低输出电压纹波,并改善负载瞬态响应,电容值C取值:C=Iripple/8*△Vp-p*fswitch,同时需考虑器件值误差及温升影响,通常按降额30%选取;
[电介质]推荐使用X5R或X7R,由于Y5V和Z5U材质的电容温度和直流偏置特性差,避免Y5V和Z5U材质的电容应用在DCDC电路中。
[耐压值]额定电压应该大于两端实际工作最大电压(含纹波峰值),并留有一定余量。
[ESR]ESR影响输出电压纹波大小,由于电容上有持续的纹波交流成分通过,因此为避免效率损失,尽量选用低ESR的电容由于X5R或X7R材质电容的值有较宽的耐压和温度范围,推荐使用X5R或X7R,满足ESRc≤1/8Cfswitch;
03 Buck电路PCB设计与干扰原理
干扰源分析
»开关电路中,开关信号上有着较高的dV/dt,有较快变化的电场;
»变化的电场产生磁场,即麦克斯韦电磁场理论:
a)变化的电场在周围空间产生磁场,变化的磁场在周围空间产生电场;
b)均匀变化的电场(磁场)在周围空间产生恒定的磁场(电场),非均匀变化的电场(磁场)在周围空间产生变化的磁场(电场)。振荡的电场(磁场)在周围空间产生同频率的振荡磁场(电场);
干扰的原理分析
开关电路有着快速变化率的一个上升沿和下降沿,电压随着时间的变化是非常快的,一会为零伏,一会为五伏,这个变化的快慢称之为频率。一个电路上或者一个电器上,它有着比较高的dV/dt(电压变化率),意味着有较快变化的电场,变化的电场会产生磁场。
时钟和基准源很多都是周期信号,这种周期的跳动是一个比较大的干扰源,那如何利用好时钟,利用好开关信号,同时又不给后端模块造成比较大的影响?
根据安培定律和法拉第电磁感应定律可以得到:
★电压的变化导致有电流,产生电流就产生了磁场,同时存在;
★电流变化,有产生了感应电压,即电场;
★干扰原理:
i=CM*dV/dt;
V=LM*di/dt;
CM为互容;LM为互感,整个系统里,不同电路不同信号之间又会有相互的依存,离得近互感互容会变大。经典力学里面,只要任何两个有质量的物体,它们之间必定有一定的距离,有万有引力。这中引力是没有办法避免的,有一定比重的影响。
所以我们想要减小干扰,想要抑制干扰,必须从互容和互感上下功夫。那互感和互容都与那些因素有关呢?
★互容相互间的容性效应(互容:两个电路之间的电场相互影响,其互相影响的系数随距离的增加快速地减小。)
»间距
»电容率
»耦合面积
★互感相互间的容性效应
»环路面积及方向
»距离
»磁导率
互感它要看磁力线的多少,或者说磁通量,所以面积越大包围的磁通量匝数就越多,所以它与环路面积有关系。磁力线的方向与电流的方向是异面垂直的,当我两个电流信号i1和i2本身就是垂直时,磁场方向也垂直,这时它们的耦合就很小,这也是我们在PCB中走线不要并行要十字交叉的原因。
磁导率:不同金属有不同的磁导率,那我在两个导体之间加入了一个导体,那这个导体会改变磁场的方向,如果说这个是铁、钴、镍的金属(对磁场的抑制会更好,磁导率高),他可能还会改变整个被磁化,改变整个磁场,所以,这个也是我们屏蔽的一个原理。
如果两个干扰信号太大,又没有办法加大它们之间的距离,在中间加一个导体,导体可以隔绝电场,把电场改变,进而阻止电场和磁场之间的转换。
在输出和输入之间,在不同电源之间,都希望它不要耦合,要加一个电容,电容的作用是抑制耦合。
无论是断开还是导通的状态,我们都希望它的回路面积小,这个才能达到我们整个所有状态或者一个整体上的互容互感的减小。
问题
★导通和断开的环路面积(开关回路)尽量小;
★信号的GND和电流的GND(功率GND)减少耦合;
★更宽的走线降低走线的电阻(DC),减小寄生电容电感(AC)。
★大电流走线宽度及大尺寸器件更利于散热;
解决
★电感靠近开关MOS的公共点放,若是集成式则靠近芯片,以减小SW信号的长度,减少辐射发射;
★输入电容和输出电容应尽可能靠近器件放置,以减少走线阻抗;
★输入输出电容的地应尽可能靠近PGND脚,信号GND和功率GND并在芯片GND处单点连接;功率GND上有开关噪声,尽量避免对敏感小信号造成干扰,尤其FEEDBACK管脚。(大电流GND:L,CIN,COUT,CBOOT连接到大电流GND;小电流GND:RFB1,RFB2单独连接到信号GND);
★如果多层板,且使用过孔不可避免时,信号换层时保持足够数量的过孔,保持与敏感模块的距离。
实际布局1
实际布局2
当我们把电感靠近电容远离,它的回流面积及路径并不会改变,但是这时输入电容远离了,输入电容离得远就会降低动态响应。这时如果没有办法都靠近,优先输入靠近芯片。