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基于电感器的电源模块的设计

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模块化开关DC/DC转换器——B0505S-1W(“稳压器”)风靡一时。将电源所需的所有组件集成到单个封装中可节省空间并简化电路设计。

半导体供应商用来缩小电感器的技巧,就是可以将其插入模块,就是增加开关频率。事实证明,给定开关稳压器所需的电感值(电感)与开关频率成反比,以获得相等的峰峰值纹波电流。

较低的电感意味着线圈的环路和/或线路较少,线圈较小(线圈内部的区域),从而降低了电感器的体积¹。更高开关频率的额外好处是减小输出电容器的尺寸。

增加开关频率会影响效率,并且在包含电感器的模块的便利性与更高效但不包括电感器的模块之间的权衡是需要仔细考虑的。

对效率的影响

开关稳压器的效率(百分比)确定为输出功率除以输入功率x 100.较高的损耗会降低输出功率,从而降低效率。此外,更高的损耗也会导致更大的热量挑战。表1显示了模块化稳压器中功耗的消耗位置。

损耗分量因子FET驱动损耗栅极电荷,驱动电压,频率FET开关损耗功能VIN,IOUT,FET上升/下降时间,频率FET电阻I²xRDS(on)功能二极管损耗Vf x IOUT x(1 - D)电感器损耗I²x直流电阻+ AC铁心损耗电容器损耗IRMS²xESR IC损耗[IQ] IC工作时IQ的数据表规范

为了证明提高开关频率对效率的影响,请考虑基于德州仪器(TI)TPS54160的模块化开关稳压器参考设计。该器件为2.5 MHz,60 V,1.5 A降压稳压器。该芯片使用外部电感,但如果电感集成在模块中,则该示例成立。参考电路如图1所示(L1是电感,C2是输出电容)。

基于电感器的电源模块的设计

图1:TI TPS54160开关稳压器参考原理图。 (由德州仪器公司提供)

虽然由于FET(集成到模块中)和芯片的其余部分存在损耗,但在这里可以忽略它们,因为在每个示例中使用相同的芯片。由于参考设计选择了具有极低等效串联电阻(ESR)的陶瓷电容,因此也可以忽略电容损耗。

因此,对损耗和效率的主要影响是电感。表2显示了三个测试电路的开关频率,电容和电感值。

开关频率(kHz)C2(μF)/尺寸L1(μH)L1直流电阻(最大值)(mOhm)100 47/1206 100 240.9 300 10/0805 33 180 750 4.7/0603 15 135

效率测试的结果如图2所示。该图显示了随着开关频率的增加效率的降低。电感的占位面积从420降至43.5mm²,但峰值效率也从86.5降至80%。

基于电感器的电源模块的设计

图2:图1所示开关稳压器的效率,具有不同的元件和开关频率,如表2所示。(顺便提一下德州仪器公司)

顺便提一下,为了提高任何频率的效率,寻找一个低漏极的开关稳压器 - 满载时的导通电阻(RDS(on)),栅极电荷或静态电流规格;或寻找具有较低等效电阻的电容器和电感器²。

尺寸和便利性与效率的关系

更高的开关频率允许使用更小的电感器,然后可以将其集成到模块中,但代价是效率高。例如,凌力尔特公司提供LTM4601 DC/DCμModule - 集成开关控制器,MOSFET,电感器和所有支持组件 - 采用15 x 15 x 2.8 mm LGA封装。 LTM4601在4.5至20 V的输入电压范围内工作,支持0.6至5 V的输出电压范围。

LTM4601的工作频率为850 kHz,输入电压为5 V时效率为93% 2.5 V,4 A输出。

相比之下,请考虑使用同一家公司的LTC3610。该器件为模块化降压稳压器,具有4至24 V输入和0.6至24 V输出。它需要一个外部电感(和电容)。 Linear Technology允许用户设置工作频率,但典型工作频率为550 kHz。

在此频率下,LTC3610具有95%的效率,5 V输入和2.5 V,4 A输出。与LTM4601相比,这并不是一个巨大的差异,但如果效率是设计的关键特性之一,那么这两个百分点可能会产生重大影响。

这与Intersil的开关稳压器模块类似。该公司的ZL9117M是一款非隔离负载点电源模块,集成了数字PWM控制器,功率MOSFET,电感器以及完整解决方案所需的所有无源元件。当工作在571 kHz,5 V输入和1.2 V,4 A输出时,效率为87.5%。

相比之下,Intersil的ISL95210是一款5 V,10 A降压稳压器,需要一个外部电感,在400 MHz时提供95%的效率,输入为5 V,输出电压为1.2 V。

总结

如果对开关稳压器设计的主要影响是它所占用的空间以及将其添加到电路板的容易程度,那么封装中包含电感器的完全集成模块就是不错的选择。但是需要付出代价,因为芯片制造商可能不得不提高开关频率以缩小电感以适应封装,这会增加元件的功耗,从而降低效率。

通过巧妙的设计和产品优化,制造商将效率损失的影响限制在几个百分点,但如果高效率对设计至关重要,则可能仍然太多。

幸运的是,供应商提供一系列电源模块,带或不带电感器,使设计人员可以灵活地选择任何一种类型,具体取决于他或她的产品的要求。

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