如何為便攜式系統(tǒng)選擇電容和電感元件(上)

　　設(shè)計人員在考慮無源器件時，他們想到的是電感電容的生產(chǎn)容限，一般為± 20% 或±10%。這在理論上是對的，但在實際應(yīng)用中卻不然。某一特定頻率下，在一個陶瓷電容上加直流偏置電壓或在電感上加載電流會改變這些元件的特性，故有“有源的無源器件(active passives)”之稱。例如，一個10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時測量值為4μF。一個3.3 μH的電感用在85°C的實際應(yīng)用中時測量值為0.8 μH。

　　此外，元件生產(chǎn)商也越來越積極進取，有可能不斷推出一些相當好的部件，以在尺寸價值比之大戰(zhàn)中保持充足的競爭力。這類似于各種實際情況。比如，一部EPA(美國國家環(huán)保署)測試額定30Mpg(每加侖行駛英哩數(shù))的汽車，實際駕駛中可能只有20mpg。這就意味著車主必需比預期的更頻繁地去加油站。

　　這個例子可以延伸到便攜式電源系統(tǒng)。系統(tǒng)中各個模塊使用的每一個元件都對系統(tǒng)性能有著直接的影響。便攜式電源系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標包括電池壽命、解決方案的尺寸大小、系統(tǒng)資源易使用性等。例如，在便攜式電源系統(tǒng)中，過于頻繁的設(shè)備充電將使所謂的“便攜式”失去意義。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員在這些關(guān)鍵性能指標的實現(xiàn)方面已邁出了第一步，即選擇開關(guān)調(diào)節(jié)器來為不同的系統(tǒng)模塊供電。下一步是確保選定的開關(guān)調(diào)節(jié)器工作在最大效率之下。開關(guān)調(diào)節(jié)器的關(guān)鍵性能指標有效率、精度和輸出電壓容限(包括瞬態(tài)響應(yīng)、電壓紋波、解決方案尺寸大小等)。為了滿足這些性能指標，開關(guān)IC必須與外部元件協(xié)調(diào)工作。

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器的外部元件一般包括一個電感、一個輸入電容和一個輸出電容。正如任何游戲的成功依賴于團隊的齊心協(xié)作，外部元件和開關(guān)也必須互相配合、協(xié)調(diào)工作以滿足直流-直流轉(zhuǎn)換器解決方案預期的性能指標。

　　在設(shè)計開關(guān)調(diào)節(jié)器時，對電感值及輸入輸出電容值的一系列補償進行了優(yōu)化。該部件的輸出電流能力也取決于諸多因素，其中之一是電感值。

　　本文介紹了電容電感易到影響的一些參數(shù)，論述了系統(tǒng)設(shè)計人員必須了解的知識，并闡釋了何時需要為便攜式電源系統(tǒng)的最小但最高效的解決方案選擇外部元件。

選擇電容

　　先讓我們看看陶瓷電容。這種電容由于尺寸、成本和性能方面的優(yōu)勢成為便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的理想選擇，也因開關(guān)頻率下的等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效阻抗很低而非常適合于高頻應(yīng)用。低ESR使輸出電壓紋波被減至最小，低阻抗產(chǎn)生出色的濾波特性。而Y5V類電介質(zhì)電容的溫度系數(shù)很差，85 ?C時可能下降80%，一般不建議用于便攜式應(yīng)用，故本節(jié)重點討論X5R/X7R電容。

　　圖1顯示了10μF，6.3V，X5R陶瓷電容外殼尺寸的變化歷史。外殼尺寸較小的主要好處在于節(jié)省開關(guān)的占位面積，降低總體解決方案的高度。目前，主流移動電話生產(chǎn)商在電話中使用的元件之高度最大限值為1.2mm。隨著電話模型越來越纖巧，這個限值將進一步減小。現(xiàn)在的陶瓷電容已能夠很好地滿足這些要求。

　　那么，系統(tǒng)設(shè)計人員還需要了解除陶瓷電容之外的東西嗎？絕對需要！例如，在選擇陶瓷電容的電容值及其外殼尺寸之余，必須考慮到它的直流偏置效應(yīng)。電容選擇不正確可能對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴重破壞。直流偏置效應(yīng)通常出現(xiàn)在鐵電電介質(zhì)(2類)電容中，如X5R、X7R、及Y5V類電容。

陶瓷電容的基本計算公式如下：

C=K×[(S×n)/t]

這里，C=電容量，K=介電常數(shù)，n=介電層層數(shù)，S=電極面積，t=介電層厚度

　　影響直流偏置的因子有K、介電層厚度、額定電壓的比例因子，以及材料的晶粒度。電容上的電場使內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“極化”，引起K常數(shù)的暫時改變，不幸的是，是變小。電容的外殼尺寸越小，由直流偏置引起的電容量降量百分比就越大。若外殼尺寸一定，則直流偏置電壓越大，電容量降量百分比也越大。系統(tǒng)設(shè)計人員為節(jié)省空間用0603電容代替0805電容時，必須相當謹慎――除非用預定類型的電容對轉(zhuǎn)換器進行了測試。規(guī)格說明書中推薦的是0603電容。

　　圖2所示為在某典型便攜式應(yīng)用產(chǎn)品的使用環(huán)境溫度范圍內(nèi)，直流偏置對幾種不同電容的影響。查看圖中的直流偏置特性，可看到，廠商A生產(chǎn)的10μF，6.3V 0603電容在1.8V 直流偏置及-30°C下的電容量值為5.75μF。需注意電容器和電容量之間的區(qū)別。電容量是從應(yīng)用的角度看到的電容的實際值。廠商C生產(chǎn)的相同電容器在同樣條件下的電容量值為3.5μF。事實上，廠商A的4.7μF電容差不多與廠商C的10μF電容一樣好。

　　因此，請記住應(yīng)該向廠商索取在應(yīng)用的預定直流偏置電壓下的電容值曲線。例如，采用2.5V輸出電壓時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須查看2.5V時的直流偏置。使開關(guān)穩(wěn)定性最好的最小電容值可在開關(guān)的規(guī)格說明書中查到。在確定用于便攜式電源解決方案材料清單(BOM)的電容雙重來源時，廠商間的差異也必須考慮到。

　　上述決策不應(yīng)該留給采購人員，除非他們能給出很好的建議。電容器生產(chǎn)商往往喜歡出示單獨的曲線，如電容量隨溫度的變化曲線，另一條是電容量隨直流偏置的變化曲線。不過，他們不會同時給出兩條，但實際應(yīng)用恰恰需要兩條。應(yīng)該記住向生產(chǎn)廠商索要系統(tǒng)最常用電壓的綜合曲線。

　　例如，基帶內(nèi)核微處理器的常用電壓有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盤驅(qū)動器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器電源的輸出電壓范圍為0.8 到3.4V。

　　選擇輸入電容時，必須考慮到輸入電壓范圍。對鋰離子電池而言，這個范圍為3 到 4.3V，當插入充電器時，可高達5.5V。

　　從系統(tǒng)的角度來看，阻抗/ESR與頻率的關(guān)系曲線也很重要。用于2MHz開關(guān)的電容可能并不適合于5MHz開關(guān)。開關(guān)設(shè)計中，電容的諧振頻率是一關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)。當開關(guān)頻率接近輸出電容的諧振頻率時，輸出電壓紋波最小。

　　例如，4.7μF和10μF 0603電容的諧振頻率范圍都為2 到 3MHz。但1μF 0603電容的諧振頻率在6MHz左右，1μF 0402電容的近10MHz。工作頻率高于諧振頻率時，阻抗實際上是電感性的。如果沒有正確的補償，將產(chǎn)生穩(wěn)定性問題，且開關(guān)的紋波增加。最后但并非不重要的是，陶瓷電容的生產(chǎn)容限是在1 kHz頻率、1V rms或0.5V rms電壓下規(guī)定/測試的，但實際應(yīng)用的條件差異非常大。在較低的rms電壓下，電容額定值要小得多。對一個典型的開關(guān)，紋波電壓范圍為5到30mV。

作者：Mathew Jacob，美國國家半導體公司應(yīng)用工程經(jīng)理，Email: mathew.jacob@nsc.com