如何为便携式系统选择电容和电感元件(下)

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选择电感
为便携式电源应用选择电感，需要考虑的最重要的三点是：尺寸大小、尺寸大小，第三还是尺寸大小。移动电话的电路板面积十分紧俏珍贵，随着MP3 播放器、电视和视频等各种功能被增加到电话中时，尤其如此。功能增加也将增加电池的电流消耗量。因此，以前一直由线性调节器供电或直接连接到电池上的模块需要效率更高的解决方案。实现更高效率解决方案的第一步是采用磁性降压转换器。正如其名称所暗示的，这时需要一个电感。
电感的主要规格除尺寸大小外，还有开关频率下的电感值、线圈的直流阻抗(DCR)、额定饱和电流、额定rms电流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根据应用的不同，电感类型的选择――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。
类似于电容中的直流偏置，厂商A的2.2μH电感可能与厂商B的完全不同。在相关温度范围内电感值与直流电流的关系是一条非常重要的曲线，必需向厂商索取。在这条曲线上可以查到额定饱和电流(ISAT)。ISAT一般定义为电感值降量为额定值的30%时的直流电流。某些电感生产商没有规定ISAT。他们可能之给出了温度高于环境温度40 ?C时的直流电流。
DCR引起传导损耗，在输出电流较高时影响效率。ESR随工作频率的提高而增加，在输出电流较小时影响占主导地位的开关损耗。ESR与Q因子成正比。相同频率下，低ESR电感的Q因子更高。在电感满足所有其它规格时，为什么系统设计人员还应考虑ESR和Q因子呢？
当开关频率超过2MHz时，必需格外关注电感的交流损耗。规格说明书中列出比较的不同厂商的电感的ISAT和DCR在开关频率下可能有极为不同的交流阻抗，导致轻负载下显著的效率差异。这一点对提高便携式电源系统中电池的寿命至为重要，因为系统大部分的时间是处于睡眠、待机或低功率模式下的。
由于电感生产厂商很少提供ESR和Q因子信息，设计人员应该主动向他们索取。厂商给出的电感与电流关系也往往只限于25 ?C，故应该索取工作温度范围内的相关数据。最坏情况一般是85oC。
图3给出了各种电感的交流阻抗与频率的关系。考虑一个降压转换器的例子，其规格参数如下：FSW=2MHz，VIN=5.5V，L=2.2 μH，VOUT=1.5V，I=0 到600MA，ΔI=289MA (计算值)。

　　参见图3，2.2μH额定电感在低频下的DCR为0.2Ω，2MHz下的ESR为1Ω。电感引起的直流损耗和交流损耗可用下式计算：
DC损耗=I2×DCR
AC损耗=(dΔI2)/12×ESR
　　由上式可知，输出电流较高时，低频或直流损耗占主导地位；输出电流较低时，交流损耗占主导地位。ΔI是转换器的峰峰值纹波电流，在连续传导工作模式中，输出电流高和低时其幅度都一样。由数学计算可知，I=600MA时，电感总体损耗的91%是直流损耗；I=50mA时，电感总体损耗的93%是交流损耗。
　　图4a (ESR) 和 4b (Q)给出了厂商A(低 ESR，高Q值)和厂商B(高ESR，低Q值)的电感，还显示了采用这些电感(图4c) 的2MHz转换器的效率曲线。从这些数据判断，即使厂商A有较高的DCR，它也能在轻负载下提供更高的效率。

　　根据应用的不同，可以选择屏蔽式或非屏蔽式电感器。一般而言，屏蔽式电感用于那些必须满足严格的EMI规范的便携式应用。
　　最后但绝非不重要的是，按照生产方式的不同，有两类电感器。第一类是传统的绕线线圈式(Wire Wound coil)电感，另一类是较新式的芯片电感。芯片电感凭其尺寸和高度方面的优势使用正日益广泛。PCB装配时的安装速度也是芯片(多层)电感生产商大肆宣传的优点之一。在选择开关解决方案时，系统设计人员必须考虑到芯片电感的某些关键规格。电感和直流电流的关系随温度的变化是线圈式电感和芯片电感有显著不同的一个主要参数。图5显示了绕线线圈电感和芯片电感的横截面示意图。


　　从图6可看到，一般来说，线圈式电感的电感-直流电流及温度关系曲线在饱和电流之前很平坦。在饱和电流之后，则随电流变化出现急剧下降。典型地，ISAT在85oC 时比25 oC时要低10％到20%。
　　25 oC时，芯片电感有一个高于额定值的初始电感值。一旦电流增大，芯片电感就开始下降。因此，大多数情况下，额定ISAT的定义不适用于芯片电感。规定了温度上升的额定rms电流也决定了芯片电感的额定电流。电感值随温度下降，不随直流电流下降，是芯片电感的另一个特性。

　　关于实际的电感值，系统设计人员必须谨慎选择正确的电感，并按照规格说明书找到最小的电感值。电感选择不正确会影响到稳定性，引起次谐波振荡(sub-harmonic oscillations)，和/或降低开关的额定输出电流。与陶瓷电容的情况相同，设计人员应当主要关注实际工作情况中的电感值，而非额定电感值。
　　如何为磁性降压转换器选择电感的额定电流呢？如果电感的额定IRMS大于所需输出电流，最容易的方法是选择额定值大于或等于开关的最大电流限值的ISAT。不过，正如我们在芯片电感中看到的，我们必须搜寻满足稳定性和输出电流要求的最小电感值。选择较高值的芯片电感(比如用3.3μH代替2.2μH) 来满足电感要求是不可行的，因为对相同外壳尺寸的电感器，电感值越高，其下降就越剧烈。
　　此外，芯片电感厂商间存在着各种差异。例如，厂商A可能采用低渗透性材料，使电感值逐步改变。但这种方案需要更多的介电层。因此，较之采用高渗透率材料、下降更剧烈的厂商B，A将有更高的DCR，B的DCR较低。
　　本文的目的是给出一些能够用于实际情况的相关信息，也向系统设计人员和元件采购工程师介绍了在元件选择过程中，应该向元件生产商索取的必要数据。
作者：Mathew Jacob，美国国家半导体公司应用工程经理，Email: mathew.jacob@nsc.com