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非常見問題解答第220期:開關(guān)模式電源問題分析及其糾正措施:電感器不符合規(guī)格要求

08/08 14:54
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問題

為什么我的電源會出現(xiàn)振鈴和過熱?

回答

電感器尺寸不當(dāng)和超出電感飽和電流額定值可能會導(dǎo)致DC-DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)多種問題,其中兩個(gè)問題是振鈴和過熱。

摘要

本文是系列文章中的第一篇,該系列文章將討論常見的開關(guān)模式電源(SMPS)的設(shè)計(jì)問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器的功率級設(shè)計(jì)中面臨的復(fù)雜難題,重點(diǎn)分析電感問題。設(shè)計(jì)人員為了獲得各種優(yōu)勢,例如減少輸出紋波和盡量縮減解決方案尺寸,往往會選擇超出推薦范圍的電感值。然而,選擇電感值過大或過小的元件都會導(dǎo)致意想不到的后果,可能會造成芯片嚴(yán)重?fù)p壞并降低效率。本文還將分析探討:如果不采取適當(dāng)?shù)拇胧_保負(fù)載電流不會超過電感的最大飽和額定值,會出現(xiàn)什么情況。

什么是開關(guān)模式電源

SMPS是一種高效穩(wěn)壓器,可降低輸入電壓降壓轉(zhuǎn)換器)、升高輸入電壓(升壓轉(zhuǎn)換器),或同時(shí)執(zhí)行這兩種操作(降壓-升壓轉(zhuǎn)換器)。圖1所示為基本開關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹?/p>

圖1.常見的SMPS拓?fù)浼捌漭敵龉健?/p>

每個(gè)SMPS都以同樣的方式工作:將能量存儲在電感器中,并利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來獲得所需的輸出。這些轉(zhuǎn)換器都應(yīng)遵循伏秒平衡定律,即在穩(wěn)態(tài)下工作時(shí),電感在一個(gè)周期內(nèi)的平均電流必須為零。因此,電感器必須在另一個(gè)周期開始之前,將充電階段存儲的所有電流放電。

降壓轉(zhuǎn)換器操作

本文僅使用降壓轉(zhuǎn)換器來演示常見的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。降壓轉(zhuǎn)換器的功率級由以下四個(gè)元件組成:電感器、輸出電容器、頂部FET(由開關(guān)表示)和底部FET(由二極管表示),見圖2。

圖2.簡化的降壓轉(zhuǎn)換器功率級。

電感器兩端的電壓通過以下公式計(jì)算:VL = L diL/dt。該電壓是開關(guān)節(jié)點(diǎn)與輸出電壓之間的差值。當(dāng)頂部FET導(dǎo)通時(shí),VL是輸入電壓和輸出電壓之間的差值。當(dāng)頂部FET關(guān)斷時(shí),由于開關(guān)節(jié)點(diǎn)接地,因此差值為0 V減去輸出。diL/dt(或?iL)是電感電流隨時(shí)間的變化量,通常稱為電感電流紋波。當(dāng)頂部FET閉合(底部FET斷開)時(shí),隨著流經(jīng)電感器的電流增加,電感器以磁通量的形式存儲能量。當(dāng)頂部FET斷開,磁場消失時(shí),底部FET會形成接地路徑,從而使電流在減小時(shí)仍能夠流向負(fù)載。圖3所示的電感電流波形中可以看出這一點(diǎn)。輸出電容用于獲得平穩(wěn)的輸出紋波,并協(xié)助保持所需的輸出電壓。降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓由VOUT = DVIN得出,其中D是占空比,定義為頂部FET導(dǎo)通并對電感器充電的時(shí)間占總周期時(shí)間的百分比。

圖3.電感電流波形。當(dāng)頂部FET導(dǎo)通時(shí),流經(jīng)電感器的電流充電;當(dāng)頂部FET關(guān)斷時(shí),流經(jīng)電感器的電流放電。

推薦的電感器尺寸

在設(shè)計(jì)SMPS時(shí),必須選擇正確的電感值,以確保電感電流紋波(ΔiL)在可接受范圍內(nèi)。建議降壓轉(zhuǎn)換器的電感紋波應(yīng)介于所施加負(fù)載電流的30%至40%之間。通常認(rèn)為此范圍比較理想,既足以捕獲準(zhǔn)確的信號并將其傳送到電流模式控制反饋系統(tǒng),又不會過大,導(dǎo)致電源進(jìn)入斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。DCM是一種狀態(tài),在該狀態(tài)下,因電流紋波太大而迫使電流低于0 A,以便將負(fù)載電流維持在所需值。然而,一旦達(dá)到0 A,F(xiàn)ET內(nèi)部的二極管就不再導(dǎo)通,從而防止電流降至0 A以下。一般基于以下公式來正確選擇電感:

此公式表明,開關(guān)頻率與電感成反比,這意味著頻率越高,充電時(shí)間就越短,從而可以使用更小的電感實(shí)現(xiàn)正常操作(節(jié)省占用空間和成本)。

電感器飽和

在SMPS設(shè)計(jì)中,常見的一種災(zāi)難性錯(cuò)誤就是在選擇功率電感時(shí)忽略了電流飽和額定值。當(dāng)流經(jīng)電感的電流超過飽和電流額定值時(shí),電感器鐵芯飽和,這意味著產(chǎn)生的磁場將不再與消耗的電流成比例地增加。這會破壞伏秒平衡定律,導(dǎo)致電感電流紋波和輸出電壓紋波失去線性特性。當(dāng)鐵芯飽和時(shí),電感值會迅速降低,其行為更像電阻而不是電感。由于電感器的有效串聯(lián)電阻(ESR)增加,而實(shí)際電感減小,因此,為了滿足伏特秒平衡,電流變化量將被迫增加。在飽和電流波形中觀測到尖峰是電流斜率呈指數(shù)增加造成的,如圖4所示。該電流尖峰會影響輸出電壓,從而導(dǎo)致更多噪聲和電壓尖峰,如圖5所示。如果電壓尖峰過大,超過下游元件的最大電壓額定值,噪聲和電壓尖峰可能會損壞下游元件,并降低EMI性能。

圖4.飽和電感電流波形。波形在電流超過飽和額定值之前表現(xiàn)正常。

圖5.飽和電感輸出紋波。尖峰會延續(xù)到輸出,其中包含噪聲和電壓尖峰。

此外,在電流波動較大的情況下,電感器會經(jīng)歷快速磁滯損耗,從而導(dǎo)致電感器散熱過多(如圖6所示)并產(chǎn)生可聞噪聲。過多的熱量可能會損壞附近的其他元件(尤其是穩(wěn)壓器芯片本身)。

圖6.電感器飽和散熱溫度為226°F (107.78°C)。

為避免出現(xiàn)此問題,設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇額定電流至少比預(yù)期最大電流高兩倍的電感器。在計(jì)算最大電流時(shí),一定要考慮電感電流紋波以及輸出端消耗的負(fù)載電流。此外,設(shè)計(jì)人員還可以參考所選電感器的數(shù)據(jù)手冊,了解在多大電流下電感值會降低10%到30%,這就是飽和的定義。選擇具有適當(dāng)飽和電流額定值的電感器將會使系統(tǒng)正常運(yùn)行,如圖7中流經(jīng)電感器的線性電流所示。輸出電壓尖峰將會消失,如圖8所示。最后,系統(tǒng)將在更低的溫度下運(yùn)行(如圖9所示),從而減少對設(shè)備的影響并延長設(shè)備的使用壽命。

圖7.標(biāo)稱電感電流波形。

圖8.標(biāo)稱電感輸出紋波。

圖9.標(biāo)稱電感散熱溫度為99.7°F ( 37.61°C)。

超小電感器面臨的難題

設(shè)計(jì)人員通常為了節(jié)省占用空間更傾向選擇電感值較小的電感,這樣的電感器線圈數(shù)量較少,因此外形尺寸較小。然而,如果電感器太小,紋波電流就會很大,并會迫使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DCM模式,這對于SMPS來說是不可取的,因?yàn)槠骷男蕰档停?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/519674.html">電磁干擾(EMI)性能也會變差。當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)振鈴時(shí),可能會觀測到這種EMI性能下降現(xiàn)象,這是由寄生效應(yīng)和LC諧振電路(產(chǎn)生諧振電路)引起的,如圖10所示。這種振鈴會影響輸出電壓,從而導(dǎo)致更大的紋波和更多的電壓尖峰,如圖11所示。此外,電源不再處于連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM),并且推導(dǎo)出的SMPS輸出公式不再適用。

圖10.超小電感輸出波形。如果無法獲得電感電流,也會在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處觀測到振鈴現(xiàn)象。

圖11.超小電感電流波形。電流和RSENSE中出現(xiàn)振鈴表明電源處于DCM模式。

為了解決此問題,設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇能夠提供約30%至40%電流紋波的電感。這樣就會降低電感電流紋波的幅度,使器件從DCM返回CCM模式,如圖12所示。這也會改善輸出電壓紋波,消除電壓尖峰,如圖8所示。如果設(shè)計(jì)人員在計(jì)算所需電感值和選擇適用元件時(shí)遇到困難,可以使用LTPowerCAD來協(xié)助設(shè)計(jì)和選擇功率級元件。

圖12.標(biāo)稱電感電流波形。

超大電感器面臨的難題

連接到SMPS的下游電子元件通常具有指定的電源電壓和相關(guān)容差。如果電壓軌上的紋波過大,將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的運(yùn)行。例如,如果微控制器的電源規(guī)格為3.3 V ±50 mV,則紋波大于±50 mV可能會導(dǎo)致微控制器關(guān)閉。設(shè)計(jì)人員一般通過增加電感器的尺寸來減少這種紋波。然而,如果電感器尺寸過大,電流紋波以及輸出電壓紋波會顯著減少。盡管這聽起來可取,但它會導(dǎo)致反饋系統(tǒng)出現(xiàn)問題,而且還會導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變慢。小紋波將使串聯(lián)檢測電阻很難檢測到變化,從而使傳遞到反饋環(huán)路的常見三角波形失真。當(dāng)電感電流紋波較小時(shí),信噪比(SNR)會降低。這會導(dǎo)致反饋環(huán)路將噪聲記錄為電感器信號,從而導(dǎo)致輸出信號不穩(wěn)定(表現(xiàn)為抖動),如圖13所示。

圖13.輸出不穩(wěn)定造成抖動。超大電感輸出波形表現(xiàn)出持續(xù)特性。突出顯示的波形采用標(biāo)稱電感捕獲。

此外,電感值越大,飽和電流額定值通常越小。這可能會導(dǎo)致電感飽和,對于器件而言非常危險(xiǎn),如“電感器飽和”部分所述。超大電感飽和帶來的影響如圖14所示。

圖14.電感值為標(biāo)稱值22倍的電感器的飽和電感輸出波形。額定電流不會隨電感成比例增加。

為了緩解此問題,設(shè)計(jì)人員切記,輸出電壓紋波可通過改變輸出電容選擇來控制。通過增加輸出電容器的值或降低其ESR,可以減少輸出電壓紋波,而無需增加電感器的值。這樣電感電流紋波值保持在30%到40%之間,從而使檢測架構(gòu)能夠正確獲取信號。這一點(diǎn)可以從圖15中看出。

圖15.標(biāo)稱檢測電阻波形。

結(jié)論

本文可作為分析降壓轉(zhuǎn)換器中電感器設(shè)計(jì)問題的指南。此外,本文旨在為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)用解決方案,避免出現(xiàn)文中所述的任何干擾行為。通過適當(dāng)調(diào)整電感大小,將電感紋波保持在輸出的30%至40%范圍內(nèi),對于確保器件保持在CCM狀態(tài),并且不會引起干擾抖動或飽和至關(guān)重要,這種抖動或飽和可能會對負(fù)載或穩(wěn)壓器芯片本身造成致命影響。

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