如何為便攜式系統(tǒng)選擇電容和電感元件(上)

　　設(shè)計(jì)人員在考慮無(wú)源器件時(shí)，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(duì)的，但在實(shí)際應(yīng)用中卻不然。某一特定頻率下，在一個(gè)陶瓷電容上加直流偏置電壓或在電感上加載電流會(huì)改變這些元件的特性，故有“有源的無(wú)源器件(active passives)”之稱。例如，一個(gè)10μF，0603，6.3V的電容在-30°C下直流偏置1.8V時(shí)測(cè)量值為4μF。一個(gè)3.3 μH的電感用在85°C的實(shí)際應(yīng)用中時(shí)測(cè)量值為0.8 μH。

　　此外，元件生產(chǎn)商也越來(lái)越積極進(jìn)取，有可能不斷推出一些相當(dāng)好的部件，以在尺寸價(jià)值比之大戰(zhàn)中保持充足的競(jìng)爭(zhēng)力。這類似于各種實(shí)際情況。比如，一部EPA(美國(guó)國(guó)家環(huán)保署)測(cè)試額定30Mpg(每加侖行駛英哩數(shù))的汽車，實(shí)際駕駛中可能只有20mpg。這就意味著車主必需比預(yù)期的更頻繁地去加油站。

　　這個(gè)例子可以延伸到便攜式電源系統(tǒng)。系統(tǒng)中各個(gè)模塊使用的每一個(gè)元件都對(duì)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(biāo)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(jì)人員在這些關(guān)鍵性能指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)方面已邁出了第一步，即選擇開關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)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(biāo)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(biāo)，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(gè)電感、一個(gè)輸入電容和一個(gè)輸出電容。正如任何游戲的成功依賴于團(tuán)隊(duì)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(yù)期的性能指標(biāo)。

　　在設(shè)計(jì)開關(guān)調(diào)節(jié)器時(shí)，對(duì)電感值及輸入輸出電容值的一系列補(bǔ)償進(jìn)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(jì)人員必須了解的知識(shí)，并闡釋了何時(shí)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(shì)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(shí)可能下降80%，一般不建議用于便攜式應(yīng)用，故本節(jié)重點(diǎn)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(dòng)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(lái)越纖巧，這個(gè)限值將進(jìn)一步減小?，F(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(jì)人員還需要了解除陶瓷電容之外的東西嗎？絕對(duì)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成嚴(yán)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(jì)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(chǎng)使內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“極化”，引起K常數(shù)的暫時(shí)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(jì)人員為節(jié)省空間用0603電容代替0805電容時(shí)，必須相當(dāng)謹(jǐn)慎――除非用預(yù)定類型的電容對(duì)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了測(cè)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(duì)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(shí)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(shí)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(qǐng)記住應(yīng)該向廠商索取在應(yīng)用的預(yù)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(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須查看2.5V時(shí)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(lái)源時(shí)，廠商間的差異也必須考慮到。

　　上述決策不應(yīng)該留給采購(gòu)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(dú)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(huì)同時(shí)給出兩條，但實(shí)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(dòng)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(shí)，必須考慮到輸入電壓范圍。對(duì)鋰離子電池而言，這個(gè)范圍為3 到 4.3V，當(dāng)插入充電器時(shí)，可高達(dá)5.5V。

　　從系統(tǒng)的角度來(lái)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(jì)中，電容的諧振頻率是一關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)。當(dāng)開關(guān)頻率接近輸出電容的諧振頻率時(shí)，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(shí)，阻抗實(shí)際上是電感性的。如果沒有正確的補(bǔ)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(cè)試的，但實(shí)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(duì)一個(gè)典型的開關(guān)，紋波電壓范圍為5到30mV。

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