选择合适的无源和分立元件实现最佳系统性能

作者：Tim Watkins

有源和无源元件的选择将对整体电源性能产生巨大影响。效率、产生的热量、物理尺寸、输出功率和成本都将以某种方式取决于所选的外部组件。本文介绍设计人员需要了解的典型SMPS设计中以下外部无源和有源元件的最重要规格：电阻、电容、电感、二极管和MOSFET。

开关模式电源（SMPS）在很大程度上已成为创建多个电源轨的事实标准，其中效率至关重要。在电池供电/便携式应用中尤其如此，因为长电池寿命至关重要。

设计动力链有许多不同的方法。我们可以使用降压转换器、升压转换器、降压-升压转换器（升压和降压）以及许多其他拓扑。它们的共同点是需要性能良好的外部有源和无源组件，以使系统以最佳方式工作。

某些电源IC解决方案可能只需要三个外部元件，例如ADP2108降压稳压器。由于具有内部电源开关，该开关模式稳压器只需要三个外部元件：一个输入和输出电容器以及一个电感器。外部组件的上限几乎是无限的，具体取决于拓扑和电源要求。在解决设计中的成本、性能和系统可靠性问题时，设计人员必须了解哪些参数对于选择正确的组件至关重要。

电阻

电阻器已广为人知，它们对SMPS的影响相当有限。但是，在使用它们的地方，了解它们的潜在影响非常重要。反馈、补偿和电流检测就是这些地方。

使用可调稳压器时，将使用外部电阻分压器网络对输出电压进行分压，为稳压器提供反馈。电阻容差将在这里发挥作用，电阻温度系数（tempco）也将发挥作用。较新的FPGA和处理器具有较低的内核电压，对电源电压的容差要求更高。对于内核电压为1 V的FPGA，5%容差仅为50 mV。

在图1中，我们展示了电阻容差以及电阻温度系数如何极大地影响最终设计。

图1.

ADP2301降压稳压器具有0.8 V基准电压源。输出电压将为



如果我们定义电路的增益为



针对1 V输出电压进行设计时，我们将选择R2 = 10 kΩ并计算R1 = 2.5 kΩ。电路的增益将为



如果使用5%容差电阻和裕量处理最坏情况，我们的增益为



这相当于输出电压容差±2%。在需要5%电源电压容差的系统中，我们已经消耗了很大一部分误差预算。

使用1%容差电阻的相同设计具有±0.4%的误差。

电阻温度系数也会导致系统误差。如果R1的额定温度为+100 ppm/°C，R2的额定温度为–100 ppm/°C，则100°C的温升将增加0.4%的额外误差。出于这些原因，建议使用1%容差或更好的电阻。温度系数低至10 ppm/°C的电阻器是现成的，但会增加系统成本。

电容器

电容器在SMPS设计中执行多种功能：能量存储、滤波、补偿、软启动编程等。与所有实际器件一样，设计人员必须注意电容寄生效应。在SMPS储能和滤波的背景下，两个最重要的寄生效应是有效串联电阻（ESR）和有效串联电感（ESL）。图2显示了实际电容器的简化图。

图2.

理想电容器的阻抗与频率的关系将随着频率的增加而单调下降。图3显示了两个不同的100 μF电容的阻抗与频率的关系。一种是铝电解型，另一种是多层陶瓷电容器。如预期的那样，在低频下，阻抗随着频率的增加而单调下降。但是，由于ESR，在某些频率下，该阻抗达到最小值。随着频率的不断增加，电容器的行为开始更像电感器，阻抗的频率也会增加。阻抗与频率曲线称为“浴缸”曲线，所有实际电容器都以这种方式运行。

图3.

图4显示了降压转换器设计中的电容功能。输入电容将看到较大的不连续纹波电流。该电容器需要额定高纹波电流（低ESR）和低电感（ESL）如果输入电容器ESR过高，将导致电容器内的I*R功耗。这将降低转换器效率，并可能使电容器过热。输入电流的不连续特性也会与ESL相互作用，导致输入端出现电压尖峰。这会将不需要的噪音引入系统。降压转换器中的输出电容将看到通常较低的连续纹波电流。ESR应保持在较低水平，以获得最佳效率和负载瞬态响应。

图4.

图5显示了升压转换器中的去耦电容功能。输入电容将看到连续纹波电流。应选择具有低ESR的电容器，以最大程度地减少输入端的电压纹波。输出电容将看到较大的不连续纹波电流。这里需要低 ESR 和低 ESL 电容器。

图5.

在降压-升压转换器中，输入和输出电容将出现不连续的纹波电流。这种拓扑结构需要使用低 ESR 和低 ESL 电容器。

明智的做法是并联使用多个电容器来构建更大的电容。电容将并联增加。此外，ESR和ESL将同时降低。通过并联使用两个（或多个）电容器，您将获得更大的电容和更低的电感和电阻。很多时候，这是获得所需的高电容和低ESR以满足设计要求的唯一方法。

使用ADI公司的ADIsimPower等在线设计工具将考虑这些权衡，并帮助您优化设计。

有各种不同的电容器类型可供选择。铝电解、钽和多层陶瓷是三种最常用的类型。与大多数工程决策一样，选择正确的类型需要权衡。

铝电解电容器以低成本提供大价值。它们代表了所有选项中最佳的成本/μF。铝电解电容器的主要缺点是ESR高，可以在几欧姆的数量级。请务必使用开关型电容器，因为这些电容器的ESR和ESL低于通用电容器。铝电解电容器还依赖于电解质，电解质会随着时间的推移而变干，从而缩短其使用寿命。

钽电容器使用钽粉作为电介质。与同等的铝电容器相比，它们以更小的封装提供较大的价值，但成本更高。ESR往往在100 mΩ范围内，低于铝。由于它们不使用液体电解质，因此它们的使用寿命比铝电解型长。因此，它们在高可靠性应用中很受欢迎。钽电容器对浪涌电流敏感，有时需要串联电阻来限制浪涌电流。小心保持在制造商推荐的浪涌电流额定值以及电压额定值范围内。钽电容器的故障模式可能是火焰烧毁。

多层陶瓷电容器 （MLCC） 采用小型表面贴装封装，具有极低的 ESR （<10 mΩ） 和 ESL （<1 nH）。MLCC的尺寸最高可达100 μF，但物理尺寸和成本将随着值>10 μF的增加而增加。 请注意MLCC的额定电压以及其结构中使用的电介质。实际电容会随施加的电压而变化，称为电压系数，并且根据所选的电介质，变化可能非常大。图6显示了三种不同电容的电容与施加电压的关系。X7R型电介质提供最佳性能，强烈建议使用。陶瓷电容器由于电介质的压电特性，对PCB振动很敏感，产生的电压噪声会扰乱敏感的模拟电路，如PLL。在这些敏感应用中，不受振动影响的钽电容器可能是更好的选择。

图6.

电感

电感器是一种磁性储能元件，通常由缠绕在铁磁芯上的线圈组成。流过电感器的电流会在磁芯中感应出磁场。这个磁场是能量储存的机制。由于电感中的电流不能瞬时变化，因此当在电感器上施加电压时，电流将斜坡上升。图7显示了电感中的电流波形。

图7.

当开关闭合时，电感两端出现全电压 （V）。电感中的电流将以V/L的速率斜坡上升。当开关打开时，电流将以相同的速率斜坡下降，并且随着磁场的崩溃会产生较大的电压。这个磁场就是储能机制。电感的简化模型如图8所示。

图8.

除电感外，还将有一个串联电阻（DCR）和一个并联电容。DCR主要是线圈电阻的影响，在计算电感中的功率损耗时非常重要。并联电容和电感会导致电感自谐振。自谐振频率可由下式计算



一个好的经验法则是保持开关频率比电感的自谐振频率低十倍。在大多数设计中，这不会成为问题。

电感内的功率损耗会导致电感内的温升以及效率损失。电感器的功率损耗主要分为两类。设计师需要了解两者。绕组电阻 （DCR）损耗仅为 I2导线内×R损耗。这些也称为铜损耗。电感中功率损耗的其他因素称为磁芯损耗。磁芯损耗是磁滞和磁芯内涡流的组合。磁芯损耗更难计算，甚至可能没有数据手册，但会导致磁芯内的功耗和温升。ADI公司从电感制造商处获取磁芯损耗信息，并将其纳入其在线设计工具ADIsimPower。这将允许准确的磁芯损耗信息及其对整个SMPS设计的影响。

图9显示了降压和升压模式电源设计中的电感功能。电感器的主要功能是储能，但它也充当滤波器。电感值的选择从确定所需的最大纹波电流开始。一个好的起点是降压转换器使用30%的直流负载电流，升压转换器使用30%的直流输入电流。这样，可以使用图9中的公式计算电感值。

图9.

电感容差开箱即用可达±30%，因此请务必将其包含在计算中。另外，请务必选择具有以下功能的电感器



其中Isat是电感的饱和电流。饱和电流是电感下降一定百分比的电流。该百分比因制造商而异，从 10% 到 30% 不等。选择电感时，请务必注意饱和电流随温度的变化，因为电感器可能在高温下工作。在电感降低10%的情况下工作通常是可以接受的，前提是这是最坏的情况。使用大于必要尺寸的电感器将占用更多的PCB空间，并且通常更昂贵。较高的开关频率将允许使用较低值的电感器。

SMPS电感器主要使用两种磁芯材料，即铁粉和固体铁氧体。铁粉芯在材料内有气隙，可提供“软”饱和曲线。由于对饱和的软响应，使用这种磁芯材料的电感器将更适合需要大瞬时电流的应用。

铁氧体磁芯电感的饱和速度更快，但成本更低，磁芯损耗也更低。

为电路选择合适的电感值不是一个简单的计算，但大多数设计都可以在相当宽的电感值范围内工作。

低阻值电感器的优点包括
降低直流电比
更高的饱和电流
更高的di/dt
更快的开关频率
更好的瞬态响应
高值电感器的优点包括
更低的纹波电流
降低磁芯损耗
降低电路开关中的均方根电流
满足输出纹波规格所需的较低电容

电感器系列中相对较新的参与者是多层片式电感器。这些片式电感器采用非常小的物理尺寸（0805），并允许非常小的整体设计。电感值目前最高可达4.7 μH，因此它们通常适用于更高的开关频率设计。小尺寸也限制了电流处理能力，约为1.5 A，因此它们不适用于更高功率的设计。与标准绕线电感器相比，它们成本更低、尺寸更小、DCR 更低，因此可能适合您的应用。

屏蔽电感与非屏蔽电感

虽然屏蔽电感更昂贵，饱和电流更低（对于相同的物理尺寸和值），但它们大大降低了EMI。几乎总是值得使用屏蔽电感器来帮助避免设计中的任何EMI问题。当使用更高的开关频率时尤其如此。

二极管

异步开关电源设计采用无源开关。开关通常采用二极管的形式。但是，由于二极管的正向压降，异步设计通常限制在<3 A输出，否则效率下降会太大。

对于除最高电压设计外的所有设计，肖特基二极管是异步稳压器的推荐选择。它们的击穿电压高达 ~100 V。与硅二极管相比，肖特基二极管的正向压降较低，大大降低了功耗。

有效的零反向恢复时间还可以防止二极管中的开关损耗。

肖特基二极管还提供超低正向压降。这些器件仅在高达 ~40 V 的击穿电压下可用，并且成本会更高，但会进一步降低二极管的功耗。

选择二极管时，必须考虑正向压降、击穿电压、平均正向电流和最大功率耗散。选择正向压降尽可能低的器件，但一定要使用数据手册中的数字，以反映设计中电流下的正向压降。通常，正向压降会随着正向电流的增加而大大增加。较高的正向压降将导致器件中的功耗更大。反过来，这会降低转换器效率，并可能使二极管过热。

二极管具有负正向电压温度系数。这将是一把双刃剑。一方面，随着二极管温度的升高，正向压降将减小，从而降低器件内的功耗。然而，由于这种效应，不建议将二极管并联以共享电流，因为一个二极管往往会主导并占用并联系统中的所有电流。

二极管的击穿电压应高于系统中的电压。正向电流额定值应大于电路电感的设计均方根电流。当然，二极管需要能够耗散足够的功率以避免过热。选择最大功耗规格大于设计要求的器件。ADIsimPower是ADI公司的在线电源设计工具，拥有庞大的二极管数据库，将努力为您的应用选择最佳二极管。

场效应管

开关电源中的“开关”通常是MOSFET。非常高的电压和电流设计可以使用IGBT型晶体管。

MOSFET 有两种主要类型：N 沟道和 P 沟道。两者都有其优点和缺点。

N 沟道增强模式器件需要正栅源电压才能导通，导通电阻低于 P 沟道（相同尺寸），并且成本更低。

P沟道器件需要负栅源电压才能导通，导通电阻较高，价格稍贵。

由于正栅源电压要求，N沟道器件往往更难驱动，因为栅极可能需要驱动到系统中主电源上方。这通常由简单的自举电路处理，但这会增加系统的成本和复杂性。最新的IC稳压器包括自举二极管，以降低成本和元件数量。

另一方面，P沟道器件更容易驱动，并且不需要额外的电路。使用 P 沟道 MOSFET 的结果是成本更高/导通电阻更高。

在选择MOSFET时，必须了解一些关键性能参数。没有特别的顺序：Rds，Vds，Vgs，Cdss，Cgs，Cgd和Pmax。

Rds 是栅极被驱动时器件的导通电阻。在 SMPS 中，打开的 Rds 越低越好。这减少了 I2× R器件内部的功耗并提高效率。MOSFET的一个良好特性是Rds具有正温度系数。这使得MOSFET成为并联的完美候选者，因为它们在并联时往往平均共享电流。

Vds 表示 MOSFET 的击穿电压。选择大于系统中电压的额定电压。更高的电压通常意味着更高的成本，因此不要使用高于所需电压的额定电压。

Vgs是栅极-源极阈值电压。这是打开设备所需的电压。

MOSFET 器件的额定最大电流和最大功率耗散。必须遵守这些评级。内部功耗主要来自两个来源：I2× Rds和开关损耗。

当MOSFET（开关）导通时，唯一的功耗来自I2× RDS 损失。当开关关闭时，设备不耗电。但是，在转换期间，器件会耗散功率。转换期间的耗散称为开关损耗。

图10显示了开关损耗是如何表现的。它主要是由栅极上的电容引起的，包括栅极到源极和栅极到漏极电容。必须对它们进行充电和放电才能打开和关闭 MOSFET。您会在图10中注意到电压和电流的波形。在导通期间，有一段时间，器件两端有电压，电流流过器件。这将导致器件内的V×I耗散。频率越高，开关损耗越大。这是SMPS设计中的众多权衡之一。更低的频率意味着更大的电感器和电容器以及更高的效率。更高的频率意味着更小的电感和更小的电容，但更多的损耗。

图10.

总结

在设计SMPS时，通常支持组件的组成部分在控制器或稳压器IC的选择中处于次要地位。但有源和无源元件的选择将对整体电源性能产生巨大影响。效率、产生的热量、物理尺寸、输出功率和成本都将以某种方式取决于所选的外部组件。为了做出最佳选择，需要仔细分析所需的性能。使用ADI公司的ADIsimPower等集成设计工具将简化这一过程。ADIsimPower允许用户输入设计标准，包括确定电路板空间、价格、效率或成本的优先级。然后，它将执行分析设计所需的所有计算，并提出符合设计标准的组件建议。ADIsimPower拥有来自各种制造商的大型元件数据库。在某些情况下，该工具中包含未发布的制造商数据，以提供最准确的建议。