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标题: 如何为便携式系统选择电容和电感元件(上) [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 20:36
标题: 如何为便携式系统选择电容和电感元件(上)
　　设计人员在考虑无源器件时，他们想到的是电感电容的生产容限，一般为± 20% 或±10%。这在理论上是对的，但在实际应用中却不然。某一特定频率下，在一个陶瓷电容上加直流偏置电压或在电感上加载电流会改变这些元件的特性，故有“有源的无源器件(active passives)”之称。例如，一个10μF，0603，6.3V的电容在-30°C下直流偏置1.8V时测量值为4μF。一个3.3 μH的电感用在85°C的实际应用中时测量值为0.8 μH。
　　此外，元件生产商也越来越积极进取，有可能不断推出一些相当好的部件，以在尺寸价值比之大战中保持充足的竞争力。这类似于各种实际情况。比如，一部EPA(美国国家环保署)测试额定30Mpg(每加仑行驶英哩数)的汽车，实际驾驶中可能只有20mpg。这就意味着车主必需比预期的更频繁地去加油站。
　　这个例子可以延伸到便携式电源系统。系统中各个模块使用的每一个元件都对系统性能有着直接的影响。便携式电源系统的关键性能指标包括电池寿命、解决方案的尺寸大小、系统资源易使用性等。例如，在便携式电源系统中，过于频繁的设备充电将使所谓的“便携式”失去意义。
　　系统设计人员在这些关键性能指标的实现方面已迈出了第一步，即选择开关调节器来为不同的系统模块供电。下一步是确保选定的开关调节器工作在最大效率之下。开关调节器的关键性能指标有效率、精度和输出电压容限(包括瞬态响应、电压纹波、解决方案尺寸大小等)。为了满足这些性能指标，开关IC必须与外部元件协调工作。
　　开关调节器的外部元件一般包括一个电感、一个输入电容和一个输出电容。正如任何游戏的成功依赖于团队的齐心协作，外部元件和开关也必须互相配合、协调工作以满足直流-直流转换器解决方案预期的性能指标。
　　在设计开关调节器时，对电感值及输入输出电容值的一系列补偿进行了优化。该部件的输出电流能力也取决于诸多因素，其中之一是电感值。
　　本文介绍了电容电感易到影响的一些参数，论述了系统设计人员必须了解的知识，并阐释了何时需要为便携式电源系统的最小但最高效的解决方案选择外部元件。
选择电容
　　先让我们看看陶瓷电容。这种电容由于尺寸、成本和性能方面的优势成为便携式应用产品的理想选择，也因开关频率下的等效串联电阻(ESR)和等效阻抗很低而非常适合于高频应用。低ESR使输出电压纹波被减至最小，低阻抗产生出色的滤波特性。而Y5V类电介质电容的温度系数很差，85 ?C时可能下降80%，一般不建议用于便携式应用，故本节重点讨论X5R/X7R电容。
　　图1显示了10μF，6.3V，X5R陶瓷电容外壳尺寸的变化历史。外壳尺寸较小的主要好处在于节省开关的占位面积，降低总体解决方案的高度。目前，主流移动电话生产商在电话中使用的元件之高度最大限值为1.2mm。随着电话模型越来越纤巧，这个限值将进一步减小。现在的陶瓷电容已能够很好地满足这些要求。

　　那么，系统设计人员还需要了解除陶瓷电容之外的东西吗？绝对需要！例如，在选择陶瓷电容的电容值及其外壳尺寸之余，必须考虑到它的直流偏置效应。电容选择不正确可能对系统的稳定性造成严重破坏。直流偏置效应通常出现在铁电电介质(2类)电容中，如X5R、X7R、及Y5V类电容。
陶瓷电容的基本计算公式如下：
C=K×[(S×n)/t]
这里，C=电容量，K=介电常数，n=介电层层数，S=电极面积，t=介电层厚度
　　影响直流偏置的因子有K、介电层厚度、额定电压的比例因子，以及材料的晶粒度。电容上的电场使内部分子结构产生“极化”，引起K常数的暂时改变，不幸的是，是变小。电容的外壳尺寸越小，由直流偏置引起的电容量降量百分比就越大。若外壳尺寸一定，则直流偏置电压越大，电容量降量百分比也越大。系统设计人员为节省空间用0603电容代替0805电容时，必须相当谨慎――除非用预定类型的电容对转换器进行了测试。规格说明书中推荐的是0603电容。
　　图2所示为在某典型便携式应用产品的使用环境温度范围内，直流偏置对几种不同电容的影响。查看图中的直流偏置特性，可看到，厂商A生产的10μF，6.3V 0603电容在1.8V 直流偏置及-30°C下的电容量值为5.75μF。需注意电容器和电容量之间的区别。电容量是从应用的角度看到的电容的实际值。厂商C生产的相同电容器在同样条件下的电容量值为3.5μF。事实上，厂商A的4.7μF电容差不多与厂商C的10μF电容一样好。

　　因此，请记住应该向厂商索取在应用的预定直流偏置电压下的电容值曲线。例如，采用2.5V输出电压时，系统设计人员必须查看2.5V时的直流偏置。使开关稳定性最好的最小电容值可在开关的规格说明书中查到。在确定用于便携式电源解决方案材料清单(BOM)的电容双重来源时，厂商间的差异也必须考虑到。
　　上述决策不应该留给采购人员，除非他们能给出很好的建议。电容器生产商往往喜欢出示单独的曲线，如电容量随温度的变化曲线，另一条是电容量随直流偏置的变化曲线。不过，他们不会同时给出两条，但实际应用恰恰需要两条。应该记住向生产厂商索要系统最常用电压的综合曲线。
　　例如，基带内核微处理器的常用电压有1.3V、1.5V和1.8V。I/O和硬盘驱动器使用1.8V、2.5V或3.3V。RF功率放大器电源的输出电压范围为0.8 到3.4V。
　　选择输入电容时，必须考虑到输入电压范围。对锂离子电池而言，这个范围为3 到 4.3V，当插入充电器时，可高达5.5V。
　　从系统的角度来看，阻抗/ESR与频率的关系曲线也很重要。用于2MHz开关的电容可能并不适合于5MHz开关。开关设计中，电容的谐振频率是一关键规格参数。当开关频率接近输出电容的谐振频率时，输出电压纹波最小。
　　例如，4.7μF和10μF 0603电容的谐振频率范围都为2 到 3MHz。但1μF 0603电容的谐振频率在6MHz左右，1μF 0402电容的近10MHz。工作频率高于谐振频率时，阻抗实际上是电感性的。如果没有正确的补偿，将产生稳定性问题，且开关的纹波增加。最后但并非不重要的是，陶瓷电容的生产容限是在1 kHz频率、1V rms或0.5V rms电压下规定/测试的，但实际应用的条件差异非常大。在较低的rms电压下，电容额定值要小得多。对一个典型的开关，纹波电压范围为5到30mV。
作者：Mathew Jacob，美国国家半导体公司应用工程经理，Email: mathew.jacob@nsc.com

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