BUCK外围器件选型,输入电容,输出电容,电感,续流二极管
BUCK外围器件选型,输入电容,输出电容,电感,续流二极管,环路设计
概述:
一般情况下,电源接口处会有大小不同的电容进行并联,大容量电容是为了防止自身产生干扰影响其他器件,所以叫去耦电容;小容量电容是为了其他高频干扰影响自身,所以叫旁路电容。当然这只是通常情况下。
输入电容
芯片手册会提供输入电容的值,但是考虑到降额,以及温度对电容性能的影响,所以实际应用的输入电容容值会比推荐值大一倍左右。
输入电容减少输入纹波电压的影响,根据输入纹波的值可以大致计算一个输入电容的值,只能作为一个参考,实际应用中各种寄生参数以及布局布线的影响,实际用的电容值会比计算得到的大一倍左右。
输入电容影响纹波大小,根据纹波电流大小,选择合适的输入电容。
回顾:电容的关注参数,容量误差;额定工作电压;绝缘电阻;正切角损耗;温度系数,频率特性以及等效电阻ESR。
输出电压
芯片手册给出典型应用原理图,想要的输出电压是3.3V,输出电压的设定可以通过调节R5,R6的阻值,参数计算如下:
为了得到想要的3.3V输出电压,可以计算出R5,R6之间的关系,确定一个值,另一个也可以确定,需要注意的是VSENSE管脚是有漏电流需要泄放的,如下表,因此R6的值不能取得过大,一般情况下不超过200K,通常情况下,也会选择一个零欧姆电阻R4可以作为断开控制环路进行稳定性测试的方便位置。
VSENSE引脚也是过压保护,欠压保护的设置引脚。
功率电感
电感,同一封装下,电感值越大,饱和电流,温升电流越小。但是此时线圈绕制比较多,DCR比较大,会有较多的损耗。
电感的感值高,纹波电流就小;感值低,纹波电流大;纹波电流是决定磁芯损耗的要素,所以减少功率电感损耗的重要参数不仅包括开关频率,还包括纹波电流。
计算输出电感器的最小值可以使用如下公式,该公式也是芯片手册提供的
KIND是一个系数,表示电感器的纹波电流与最大输出电流之比,通常取0.1-0.4。
芯片的开关频率是570KHZ,当取KIND是0.3的时候,可以计算得到最小的电感值是5.7uH。当实际选取电感的时候,应该考虑其额定电流是否可以满足要求
对于计算得到的电感值,我们可以计算纹波电流,温升电流,峰值电流的数值,再进行合适电感器的选择
纹波电流计算公式:
温升电流的计算公式:
峰值电流的计算公式:
可以计算得到温升电流3.01A,峰值电流3.47A,基于此我们可以选取得到合适的电感器,另外需要注意直流电阻的值不能过大,与该器件适配的电感值为6.8-47uH,DCR要比较小。
输出电容:
输出电容的大小影响输出电压纹波,以及负载瞬变后对输出电压的影响;
输出纹波电压等于电感纹波电流与输出电容等效电阻的乘积,除此之外,纹波电压的另一组成部分是由于输出电容的充放电而引起的电压变化。
可以通过下面公式计算输出电容的最小值,为我们提供一些选取依据:
FCO的值选取为芯片开关频率的十分之一,二十分之一作为其值,芯片手册中选取25KHZ作为计算值。
没考虑电路中各种寄生参数以及电容器件稳定性的影响,计算输出电容的最小值,参考意义不大。考虑纹波的大小后再进行选取是合适的。
输出纹波电压的计算公式,D最大选1
对于输出纹波电压的限制要求可以计算出输出电容的值可以作为我们选取合适输出电容的依据,可以通过并联电容减少ESR
在选取输出电容时应该注意额定电压,额定纹波电流和ESR能否满足需求,ESR比较重要,考虑计算值的二倍,考虑电容的降额
续流二极管
续流二极管一般选取肖特基二极管,需要考虑的是,二极管是反向放置的,反向耐压值要高,续流二极管的反向电压必须高于PH引脚处的最大电压,即VINMAX+0.5,0.5是管子的压降。正向电流大,峰值电流大于输出电流加上峰峰值电感器电流的一半的和。
正向导通压降尽可能的小(功耗小,效率高),电源芯片开关速度比较快,所以二极管的反向恢复时间应该极短。
环路设计
每个电源芯片一般都会给出环路补偿的参数计算,大家可以自己计算。另外像TI公司给出的都有仿真软件,可以进行仿真设计,需要注意的是我们应该知道更改那个参数,才能满足自己的设计要求,计算几个环路,就可以得到理解。
环路设计关注点:剪切频率,相位裕量,增益裕量
剪切频率:有的也叫做穿越频率,是指环路增益为0时对应的频率;
意义:剪切频率越高,响应速度越快,但更容易引起环路不稳定或振荡;剪切频率过低则环路瞬态响应不够,可能会导致输出电压异常。经验值;通常剪切频率设计为开关频率的1/10-1/20;瞬态响应不足的系统往往其剪切频率低于10KHZ,此时环路处于过度补偿状态。
瞬态响应:负载变化引起输出电压发生变化,瞬态响应越差,则相同负载变化引起的输出电压变化越大;
相位裕量:当环路增益为0的时候,对应的信号相位与180度的差值;增益裕量;当信号相位为0时,对应的负增益量;
意义:表征开关电源的稳定度,如相位裕量或增益裕量不够,则可能因温度,PCB布局布线以及器件个体差异等影响,使系统进入不稳定或振荡的状态;经验值:足够稳定的开关电源设计,一般应使相位裕量大于45度,增益裕量小于-10dB。
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