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

問題

為什么我的電源會(huì)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(huì)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。

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?/em>

每個(gè)SMPS都以同樣的方式工作：將能量存儲(chǔ)在電感器中，并利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)來(lái)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(chǔ)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(lái)演示常見的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)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(jiǎn)化的降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

電感器兩端的電壓通過以下公式計(jì)算：V_L = L d_iL/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(chǔ)能量。當(dāng)頂部FET斷開，磁場(chǎng)消失時(shí)，底部FET會(huì)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V_OUT=D_VIN得出，其中D是占空比，定義為頂部FET導(dǎo)通并對(duì)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(hào)并將其傳送到電流模式控制反饋系統(tǒng)，又不會(huì)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(lái)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(chǎng)將不再與消耗的電流成比例地增加。這會(huì)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(huì)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(cè)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(huì)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(huì)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(huì)延續(xù)到輸出，其中包含噪聲和電壓尖峰

此外，在電流波動(dòng)較大的情況下，電感器會(huì)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(huì)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(cè)，了解在多大電流下電感值會(huì)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(huì)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(huì)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(duì)設(shè)備的影響并延長(zhǎng)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(huì)很大，并會(huì)迫使轉(zhuǎn)換器進(jìn)入DCM模式，這對(duì)于SMPS來(lái)說(shuō)是不可取的，因?yàn)槠骷男蕰?huì)降低，電磁干擾(EMI)性能也會(huì)變差。當(dāng)開關(guān)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)振鈴時(shí)，可能會(huì)觀測(cè)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(huì)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(wú)法獲得電感電流，也會(huì)在開關(guān)節(jié)點(diǎn)處觀測(cè)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(huì)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(huì)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(lái)協(xié)助設(shè)計(jì)和選擇功率級(jí)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(huì)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(lái)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(huì)顯著減少。盡管這聽起來(lái)可取，但它會(huì)導(dǎo)致反饋系統(tǒng)出現(xiàn)問題，而且還會(huì)導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變慢。小紋波將使串聯(lián)檢測(cè)電阻很難檢測(cè)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(huì)降低。這會(huì)導(dǎo)致反饋環(huán)路將噪聲記錄為電感器信號(hào)，從而導(dǎo)致輸出信號(hào)不穩(wěn)定（表現(xiàn)為抖動(dòng)），如圖13所示。

圖13 輸出不穩(wěn)定造成抖動(dòng)。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(huì)導(dǎo)致電感飽和，對(duì)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(lái)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(huì)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(lái)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(wú)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(cè)架構(gòu)能夠正確獲取信號(hào)。這一點(diǎn)可以從圖15中看出。

圖15 標(biāo)稱檢測(cè)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(duì)于確保器件保持在CCM狀態(tài)，并且不會(huì)引起干擾抖動(dòng)或飽和至關(guān)重要，這種抖動(dòng)或飽和可能會(huì)對(duì)負(fù)載或穩(wěn)壓器芯片本身造成致命影響。

關(guān)于作者

Abe Ibraheim是核心應(yīng)用部的實(shí)習(xí)生，于2023年夏加入ADI公司。Abe是伍斯特理工學(xué)院一名大三學(xué)生，正在攻讀電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)士和碩士學(xué)位。他的專業(yè)方向是微電子和電力系統(tǒng)。

Kenneth Armijo于2022年加入ADI公司，擔(dān)任核心應(yīng)用部助理工程師。他擁有伍斯特理工學(xué)院電氣工程和機(jī)器人工程兩個(gè)學(xué)士學(xué)位，還擁有電氣工程碩士學(xué)位。他專注于電源管理電路（主要是開關(guān)穩(wěn)壓器）的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

Piyu Dhaker是ADI公司北美核心應(yīng)用部的一名應(yīng)用工程師。2007年畢業(yè)于圣何塞大學(xué)，獲電氣工程碩士學(xué)位。2017年6月加入北美核心應(yīng)用部。她還曾在ADI的汽車動(dòng)力總成部和電源管理部工作。