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為便攜產(chǎn)品DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇*的電感
隨著無線手持設(shè)備、PDA以及其它便攜式電子產(chǎn)品的外形尺寸不斷縮小，其復(fù)雜程度也持續(xù)增加，設(shè)計工程師將要面對越來越多的問題，包括電池壽命、板載面積、發(fā)熱量及功率消耗。
當(dāng)使用DC/DC轉(zhuǎn)換器時，效率是zui主要的目標(biāo)。許多設(shè)計需求都涉及到將確定的電池電壓轉(zhuǎn)換至某個較低的供電電壓。盡管線性穩(wěn)壓器可實現(xiàn)此目標(biāo)，但卻無法達到基于交換調(diào)節(jié)器(switching regulator)類設(shè)計的效率。本文將探討若干個設(shè)計人員在折衷解決方案尺寸、性能集成本所需面對的，zui常見的問題。
大信號響應(yīng)vs.小信號響應(yīng)
開關(guān)變換器基于非常復(fù)雜的穩(wěn)壓電路配置，以保持任意負載情況下的率?，F(xiàn)代的CPU核心電源需要穩(wěn)壓器具有快速及順暢的大信號響應(yīng)。例如，當(dāng)處理器由閑置狀態(tài)轉(zhuǎn)換至全速運轉(zhuǎn)狀態(tài)時，核心所汲取的電流可非?？焖俚膹娜舾蓚€微安培(micro-amp)上升至兩百多個毫安培(milli-amp)。
隨著負載狀態(tài)的不斷改變，回路也快速的響應(yīng)著的需求，以確保電壓處于穩(wěn)壓限之內(nèi)。負載改變的總量及速率決定了回路的響應(yīng)應(yīng)稱為大信號響應(yīng)還是小信號響應(yīng)。在此，我們基于某個狀態(tài)恒定的工作點定義小信號參數(shù)。因此，我們一般認定在恒定狀態(tài)點上下10%的變動稱為小信號改變。
在實踐中，誤差放大器具有轉(zhuǎn)換(slew)的限制而不用于控制回路，因為負載的瞬變所發(fā)生時間非常短，超出了誤差放大器的響應(yīng)范圍，從而，輸出電容將抑制瞬變的電流直至電感電流能“趕上(catch up)”。
大信號響應(yīng)可能臨時性的使回路脫離工作狀態(tài)。盡管如此，還是要求回路在進入或脫離大信號響應(yīng)時必須平滑順暢?；芈返膸捲綄?，對于負載的瞬態(tài)響應(yīng)程度就越快。
盡管穩(wěn)壓回路在預(yù)期的小信號情況下可展示出足夠的增益及相位裕量，但開關(guān)變換器在線路或負載瞬變時仍可能出現(xiàn)不穩(wěn)定及振蕩。在選擇外部元件時，電源設(shè)計者需要清楚地了解此類限制，否則，其設(shè)計將難于成功。
電感選擇
基本的壓降穩(wěn)壓器如圖1所示，用于圖示說明電感的選擇。
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圖1 電感選擇
對于絕大多數(shù)的TPS6220x應(yīng)用，電感值可選在4.7μH至10μH的范圍內(nèi)。該電感值是基于所期望的紋波電流而選取的。通常情況下，所推薦的工作紋波電流應(yīng)低于平均電感電流的20%。高輸入輸出電壓（VIN 或 VOUT）同樣會增加了紋波電流，如下面的方程1所示。很明顯的，電感必須能處理此類峰值轉(zhuǎn)換電流，以避免核心電路的飽和狀態(tài)（意味著電感的能量損失）。
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在以更高的輸出電壓紋波為代價時，小電感將導(dǎo)致更高的輸出電流轉(zhuǎn)換速率，從而改善轉(zhuǎn)換器對負載的瞬變響應(yīng)。大電感則會降低紋波電流并降低線圈的磁滯損耗(magnetic hysteresis losses)。
總體的線圈損失可并入到損耗電阻(Rs)之中，在此把實際的電感看成損耗電阻與理想電感的串聯(lián)。從而簡化了等效電路，如圖2所示。
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圖2 簡化等效電路
盡管Rs上的損失是頻率相關(guān)的，但直流阻抗(RDC)還是一直作為數(shù)據(jù)表中的規(guī)范參數(shù)進行定義。該阻抗取決于所采用的繞線材料或SMD（表面貼裝器件）電感的構(gòu)建類型，并在室溫下通過簡單的電阻測量得到。
直流阻抗的大小對線圈溫度的升高有著直接的影響。因此，應(yīng)極力避免超過額定電流的現(xiàn)象。
總體的線圈損耗同時包括了直流阻抗RDC的損耗以及取決于頻率變化的損耗分量：
• 線圈材料損耗（磁滯損耗、渦流[eddy-current]損耗）
• 電感附帶的趨膚效應(yīng)損耗（高頻電流轉(zhuǎn)換）
• 鄰近線圈的磁場損耗（鄰近效應(yīng)）
• 輻射損失
上述所有的損失分量都可歸結(jié)于串聯(lián)的損耗電阻(Rs)。損耗電阻主要用于定義電感的品質(zhì)。但不足的是，數(shù)學(xué)上定義的損耗電阻Rs與實際并不相符。因此，電感通常需要采用阻抗分析儀進行整個頻帶的測量。該測量可給出獨立的分量XL(f)、Rs(f) 以及 Z(f)。
感應(yīng)線圈的電抗(XL)與總體電阻(Rs)的比值通常稱為品質(zhì)因數(shù)Q，如方程2所示。品質(zhì)因數(shù)定義了電感的品質(zhì)特性。損耗越大，則電感作為儲能單元的效果也就越差。
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圖3a Q vs.頻率(Hz)
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圖3b. Rs (Ω) vs. 頻率 (Hz)
圖3a/3b 4.7-μH繞線式(wire wound)電感，RDC=240mΩ / ISAT=700mA
圖3a及3b所示的品質(zhì)—頻率曲線圖有助于為特定應(yīng)用挑選*的電感架構(gòu)。如圖的測量結(jié)果所示，工作頻率內(nèi)損失zui小的點（即Q值zui高點）定義為品質(zhì)的轉(zhuǎn)折點。如果電感被用于更高的頻率，則損失將急劇增加（Q值下降）。
設(shè)計優(yōu)良的電感僅會降低較小百分比的效率。不同的核心材料及形狀也將改變電感的尺寸/電流以及價格/電流的關(guān)系。具有防護層的鐵酸鹽電感更小，且能量輻射也更低。該選用那種類型的電感通常取決于價格vs.尺寸的需求以及可能的任意輻射場/電磁干擾需求。