電路設計專欄 — 功率電源電感剖析降壓式直流電路設計

發表日期:2014/06/04    本文瀏覽次數:12,567次

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「被動」零件,「主動」創造價值。

此處的「主動」包含了「電路理論」、「創新服務」兩個層面的含意。
「電路理論」:被動零件「功率電源電感」,扮演極重要的角色,左右周邊零件設計。
「創新服務」:以「功率電源電感」為核心,提供加值的服務。
此篇專欄將概略介紹「磁性元件分類、電路動作原理及重點參數、功率電源電感扮演角色、選料原則、零件互為替代性、零件匹配、Layout Guide」

磁性元件分類:

如下圖,降壓式直流轉換的電源電感屬於功率電感,主要是儲能釋能角色。其電路功能類似Flyback(反馳式)的隔離式變壓器、Forward(順向式)的輸出電感。

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電路動作原理:

透過伏特-秒平衡(V-T Balance)概念,直流電源轉換IC控制功率晶體(Power MOS)開關,對於輸出電感儲能及釋能,且期望操作在連續導通模式(CCM:Continuous-Conduction Mode),此相對可得到較小的VOUT,RIPPLE(輸出紋波電壓)。

伏特-秒平衡(V-T Balance) 示意圖

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降壓式直流電源轉換連續導通操作(CCM)模式示意圖

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電路重點參數:

VOUT,RIPPLE (輸出紋波電壓)、VOUT,TRANSIENT (轉態輸出電壓)、Stable (穩定)、EMI (電磁干擾)、Efficiency (效率)、Thermal (熱)、Life & Reliability (壽命&可靠度)、Noise (噪音)、Cost (成本)、Lead Time (交期)。
在此只討論VOUT,RIPPLE (輸出紋波電壓)、VOUT,TRANSIENT (轉態輸出電壓)、Stable (穩定)、EMI (電磁干擾)、Efficiency (效率)、Thermal (熱),其餘內容可參考相關訓練課程。

VOUT,RIPPLE、VOUT,TRANSIENT示意圖

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Stable:Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth示意圖

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一般電路設計參數規範:

零件扮演角色:

輸出電感與降壓式直流電源轉換設計關係圖

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選料原則:

依下列影響,選擇對應電感及其它周邊零件參數,並且注意之間的匹配,以滿足電路規範。
1.) 繞線:「線徑截面積 (線粗細)」、「圈數(長度)」除了搭配「鐵芯(磁性材料、架構)」決定電感量以外,另外決定了直流電阻。影響層面如下:

2.) 輸出電感儲能釋能:動作對應伏特-秒平衡 (V-T Balance),推導得Duty = VOUT/ VIN ,決定功率晶體切換導通時間)。許多零件計算跟Duty有關。

3.) 輸出電感遏制(Choke) IOUT,RIPPLE:電感量越大,則遏制IOUT,RIPPLE能力越強,所以相對IOUT,RIPPLE越小。而IOUT,RIPPLE對下列參數有影響。

4.) 輸出濾波器:輸出電感與輸出電容在迴授電路上組成輸出濾波器。在不同的控制模式下,會有不同的設計考量。

電壓模式閉迴路迴授 (節錄於Intersil tb417 compensation application notes )

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零件互為替代性:

  1. 鐵芯材料「Iron、Ferrite」之間替代關係
  2. 架構「Assembly、Molding」之間的替代關係
  3. 系統組裝「插件、貼片」之間的替代關係
  4. 磁路「封閉式、開放式」之間的替代關係

零件匹配:

  1. 輸入電感須注意與輸入電容之間的匹配性,以確保抑制輸入電壓的雜訊。
  2. 輸出電感須注意與輸出電容之間的匹配性,以確保同時滿足「VOUT,RIPPLE (輸出汶波電壓)、VOUT,TRANSIENT (轉態輸出電壓)、Stable (穩定)、EMI (電磁干擾)、Efficiency (效率)、Thermal (熱)、Life、Reliability (壽命可靠度)」。

Layout Guide:

  1. LIN & LOUT的主電流路徑都需要鋪銅,且零件擺放強調與Power MOS結構化。
  2. LOUT的DCR Current Sense,為敏感訊號,需要細線繞過主電流及驅動路徑。
  3. LOUT的Phase點有三種功能路徑。在主電流及Snubber路徑都強調鋪銅散熱,在Bootstrap路徑,則須獨立15 ~ 20mil粗線,強調與Upper MOS驅動路徑的結構化。

量測及解問題手法:

  1. LIN:觀察低頻透過Power Supply的傳導EMI及輸入電壓的雜訊。當輸入電壓的雜訊過大時,選擇是當輸入濾波器組合。當PWM IC FSW的基頻或者奇數頻EMI問題時,可修正Power MOS的驅動能力及確認Snubber。
  2. LOUT:量測VOUT,RIPPLE、VOUT,TRANSIENT、Stable (Phase Margin、Gain Margin、Bandwidth)、過電流保護(OCP)等。此有分成「時域」及「頻域」兩種量測,須注意時域示波器探棒的接地(Ground Bounce)。解問題概念可參考選料原則,至於詳細解問題方式及案例請參考相關訓練課程。

示波器探棒建議接地方式

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