合理選擇DC/DC轉(zhuǎn)換器的外部元件實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定和高效

　　去數(shù)十年來，電子產(chǎn)品的發(fā)展可謂一日千里。以個(gè)人通信設(shè)備為例，由最初的奢侈品到現(xiàn)在的廣泛普及，電子產(chǎn)品無論從重量、體積還是效率，都有了翻天覆地的變化。但是不論電子產(chǎn)品變化多快，種類多么繁多，電源—這一電子產(chǎn)品的“動力”裝置，往往很容易被很多電子工程師所忽視。本文便以 MAX8640Y/Z為例，重點(diǎn)闡述DC/DC轉(zhuǎn)換器外圍器件如何選取以及電路設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的選擇

　　當(dāng)今電子設(shè)備正朝更輕更薄更小巧的方向發(fā)展，采用小型封裝，例如SOT23、TDFN或者SC70等封裝的器件正越來越受到設(shè)計(jì)人員的青睞。

　　對于DC/DC轉(zhuǎn)換器而言，工作頻率越高，所要求的外部元件，比如電感以及電容值就越低，尺寸就越小。但MOSFET的開關(guān)損耗也與開關(guān)頻率成正比。因此，選擇的開關(guān)頻率應(yīng)該折衷考慮物理尺寸和轉(zhuǎn)換效率。

　　以Maxim公司提供的MAX8640Y/Z為例，該系列器件采用SC70封裝，工作在4MHz/2MHz的開關(guān)頻率下，能夠在500mA 的輸出電流下保證高效率。該器件適合用于為微處理器或DSP內(nèi)核供電，或者用于I/O供電。所采用的SC70封裝僅為2mm×2.1mm，是業(yè)界尺寸最小的解決方案。

　　轉(zhuǎn)換器外圍器件的選取以及布局

　　這里包括輸出電感值的選擇，電感類型的選擇，續(xù)流二極管的選擇（對于非同步整流轉(zhuǎn)換器而言），輸入/輸出電容的選擇。

　　1 首先是電感的選擇

　　對于便攜設(shè)備來說，電感所占的空間往往最大，同時(shí)也增加了開關(guān)調(diào)節(jié)器的成本。電感值越小，電感的物理尺寸就越小，瞬態(tài)相應(yīng)就越快，但同時(shí)也將產(chǎn)生較大的紋波電流，從而降低調(diào)節(jié)器的效率，也使輸出電壓的紋波變大。理論中，最小的電感值應(yīng)使電路工作在臨界傳導(dǎo)狀態(tài)，即負(fù)載電流最大時(shí)電感電流在每個(gè)周期正好回零。實(shí)際應(yīng)用中，通常結(jié)合LIR（電感紋波電流與設(shè)計(jì)的最大負(fù)載電流之比）、輸入/輸出電壓、工作頻率以及最大負(fù)載電流選擇電感值。通常建議將LIR值選取介于20%～50%之間?？梢詤⒖脊?選擇電感的值。

　　(1)

　　其中，VIN為輸入電壓，VOUT為輸出電壓，f為轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，LIR為電感紋波電流與設(shè)計(jì)的最大負(fù)載電流之比，ILOAD(MAX)為最大負(fù)載電流。

　　另外，除了電感值，電感的類型也是優(yōu)化電路設(shè)計(jì)所必須考慮的一個(gè)關(guān)鍵所在，這也是手機(jī)制造商成本的關(guān)鍵所在。以目前手機(jī)中常用的繞線電感和疊層電感為例，疊層電感相比饒線電感而言，具有較大的成本優(yōu)勢，且尺寸上比線繞電感要小50%以上。另外，在滿足尺寸和電感值要求的前提下，應(yīng)選擇電感直流阻抗盡可能小的電感，以降低電感的直流損耗。

　　此外，電感磁芯材料也是選擇電感時(shí)應(yīng)該加以考慮的重要因素。常用的磁芯材料分為兩大類，一類是粉狀磁芯，以鐵粉芯、High Flux高磁通磁粉芯以及Kool Mμ為代表；另一類是鐵氧體磁芯。兩種磁芯材料各有優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員在選擇的時(shí)候，應(yīng)根據(jù)成本、性能、尺寸等因素綜合考慮進(jìn)行選擇。相對粉狀磁芯電感，鐵氧體磁芯的電感具有較低的磁芯損耗，同時(shí)具有較高的開關(guān)頻率（高達(dá)MHz）。因此，鐵氧體磁芯通常是此類應(yīng)用的最佳選擇。當(dāng)然，鐵粉磁芯也有其優(yōu)越性，例如鐵粉磁芯的成本相對鐵氧體要低得多；另外，粉狀磁芯的電感隨著流過電感的直流偏置電流的變大要下降得緩慢些，相當(dāng)于具有“軟”飽和特性，而鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會迅速下降（見圖1），因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要留有更多的余量，防止電感出現(xiàn)飽和。如圖1所示，粉狀磁芯的電感值隨著負(fù)載電流的增大下降相對緩慢。鐵粉磁芯往往是用于一些對功耗要求不甚敏感，開關(guān)頻率也不高（200kHz），但注重成本的應(yīng)用場合。

圖1 鐵氧體磁芯的電感值在飽和以后就會迅速下降

　　2 輸出電容的選擇

　　選擇輸出電容應(yīng)考慮到兩點(diǎn)。一是輸出電容的容值；二是輸出電容的等效串聯(lián)電阻（ESR）。電容應(yīng)具有一定的容值，以確保輸出的穩(wěn)定。ESR 必須足夠低，以降低輸出電壓的紋波。參考公式2。輸出電容的ESR大小取決于能接受的輸出紋波電壓。降壓控制器的紋波電壓大小大約等于輸出電容的ESR乘以電感的紋波電流。

　　實(shí)際選取電容時(shí)，除了與滿足低ESR要求所需要的物理尺寸有關(guān)外，還與電容器的化學(xué)類型有關(guān)。因此，通常在選擇電容時(shí)，首先應(yīng)考慮的是ESR和額定電壓值，而不是容值的大?。ㄟ@一原則是用于鉭、OS-CON和其他類型的電解電容）。

　　(2)

　　同時(shí)，電容的ESR還不能太低，必須保證ESR足夠高以滿足穩(wěn)定性的要求，還應(yīng)保證ESR零點(diǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)頻率。鑒于陶瓷電容的低ESR特性，很多應(yīng)用中都推薦采用。

　　3 輸入電容的選擇

　　輸入電容可以降低電源側(cè)的電流尖峰以及IC的開關(guān)噪聲。輸入電容的阻抗應(yīng)盡可能小。建議采用陶瓷電容，因?yàn)樘沾呻娙菥哂泻苄〉某叽缫约昂艿偷腅SR。

　　4 整流二極管

　　對于非同步整流的DC/DC轉(zhuǎn)換器，整流二極管的壓降上將產(chǎn)生比較大的功率損耗，因此，為了提高效率，應(yīng)該選擇具有超低正向壓降的肖特基二極管。

　　圖2給出了MAX8640Z針對手機(jī)應(yīng)用中SDRAM供電的應(yīng)用電路，該電路設(shè)計(jì)能夠輸出1.8V電壓，可提供100mA的最大輸出電流。電容選擇Taiyo Yuden的LB1608T1R0M或LBMF1608T1R0M，輸入/輸出電容選擇TDK的C1005X5R0J105K，所有器件所占的總面積等于 2mm×2.1mm（SC70的尺寸）+1.6mm×0.8mm（電感的尺寸）+2×1.0mm×0.5mm（輸入/輸出電容的尺寸）=6.48mm2，比現(xiàn)有解決方案節(jié)省超過25%的面積。

圖2 MAX8640Z針對手機(jī)應(yīng)用中SDRAM供電的應(yīng)用電路

　　結(jié)論

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的外圍元件選取，直接關(guān)系到電路的電氣性能（包括電壓輸出紋波、輸出帶載能力、功耗）、體積、成本等多方面因素。因此必須在設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該對電源的要求有清晰的了解，為設(shè)計(jì)留下充足的余量。