选择空间级开关稳压器的自由度
文章作者:Rajan Bedi
工程师越来越多地设计开关调节器，选择被动非常重要，因为它们决定了转换的质量。
随着低压使用的越来越多，高电流负载，如航天器航空电子设备中的FPGA，工程师越来越多地设计用于开关模式调节器以产生供应轨道。我以前描述过降压拓扑如何进行dc-dc转换以及什么时候考虑的标准选择space-grade设备来自供应商。大多数合格部件都集成了开关和低侧FET，但需要外部电感以及输入和输出电容。这些被动的选择非常重要，因为它们确定了转换的质量，即输入和输出纹波，负载调节和对单事件效果的响应（看到）。
电源设计是其本质上充满了权衡和妥协，例如成本，尺寸，性能和可靠性。但是，还有优化和减少能量储存潜气的尺寸和质量的范围。
开关DC-DC通过控制on和off状态的占空比，根据流入和流出DC-DC的能量调节输出电压。当开关导电时，能量从输入源流到转换器，在buck的情况下，其中一些作为磁能(0.5*)存储在电感器中李2)，而有些直接传递到输出(前向拓扑)。同样，在关闭间隔期间，能量从转换器传递到负载。为了一美元，这来自电感，它以前是存储时，FET是开着的。
在接通时间期间添加到电感器的能量总是等于交换机关闭时输送到负载的能量，即，电感器结束每个循环，它与其开始的电流和能量完全相同;稳态的定义！
图1该图示出了降压调节器的开关周期。
作为示例，假设500 kHz的开关频率，输入+ 5.5V的输入，负载电压为+ 0.95V，负载电流为18a，转换效率为90％，所得到的输入和输出功率为19分别为17.1 w。在每个开关周期期间绘制的源能量为38μj，当FET关闭时的能量输出为34.2μj。在500 kHz的频率下，调节器处理的总能量为17.1J / s，或17.1个W定义。
当我们把能量加到电感器上时，通过它的电流线性上升。当我们去除能量，电流下降，导致一个观察到的交流电流纹波。以类似的方式，当我们把能量加到电容器上时，电容上的电压线性上升。当我们去除能量时，电压下降，导致观察到的交流电压纹波。开关动作不断地增加和减少能量，通过电感产生电流纹波，通过电容产生电压纹波。对于两者，都有相对于直流水平的最大可容忍的交流变化量的指导方针。
对于降压调节器，当开关FET打开时，电感将输入能量存储在其磁场中，并在高端晶体管关闭时将其传递给负载。电感值的选择是基于传递给负载的电流纹波的水平，由几何比定义，r:
在哪里Iload电感平均电流是Δ吗Iload是当前的摇摆，Iac和国际数据公司(Idc)是电感电流的AC和DC值。与...相关的亨利所产生的电感r可以从以下计算：
在哪里FSW.是赫兹的开关频率。
例如，要在18A处生成+ 0.95V轨道，下表列出了AMPS中的绝对峰值峰值电感器电流纹波和百分比Iload以及作为函数的由此产生的电感r:
表1电感纹波和电感的计算
电感的值与负载电流和开关频率成反比，而其物理尺寸和质量成比例Iload。
完全集成的空间降压调节器提供整体较小的形状因素，并且更容易设计，同时必须添加外部磁性，并且通过使设计人员能够更好地控制电流纹波，因此电压变化传递给负荷。
图2比较完全集成的VS.非集成空间级开关稳压器。
较大的电感产生较小的电流纹波，从而降低负载中的电压波动。较大的电感，由于其自然倾向于反对电流的变化，减缓了稳压器的瞬态响应，并由于较大的固有直流电阻增加了功率损失。较小的电感提高了调节速度，但增加了输出纹波的数量，并有电感被驱动到饱和的风险。重要的是，电感的均方根电流和饱和电流额定值不能超过，后者大于计算的峰值。磁体的物理尺寸必须与其能量处理能力相匹配，需要更大的磁芯来处理更高的能量。请检查电感的公差，有些供应商的电感的公差可能高达30%，导致比期望的纹波电流更高。
电感电流纹波表现为输出电压的变化，输出电容的函数之一是减少负载所见的纹波量。电容ESR和ESL是决定与电感电流相关的输出电压纹波的重要参数。
电容器自然抵抗AC的变化。电压并一旦充电，就具有保持电压的趋势，特别是如果在DC顶部存在纹波。如果适当大小的话，电容器将太慢，以便跟上由于纹波引起的电压波动，因此它们会被滤除。
当FET关闭时，输入从输出断开连接，但是，负载总是需要连续的能量流。在此期间，输出电容还必须存储足够的电荷以提供输出的负荷：当开关关闭时，电感器电流在供应负载时减小，并且输出电容缓冲器该电流变化使得负载看到几乎恒定的电压。
输出电容也决定了调节器如何响应负载电流的大变化。它的大小必须适当地提供负载，而DC-DC不能，直到后者的反馈控制回路能够响应。下面的公式指定了实现这一目标所需的最小输出电容:
虽然以下等式计算最小输出电容，以满足目标输出电压纹波要求：
LC滤波器由电感和输出电容组成，去除开关波形的交流分量，输出一个平均(直流)电压。对于降压稳压器，输出电容通过以负载电压为中心的纹波反复充放电。跟踪图标图1描绘了流入输出电容的连续电流。
通常，各种不同的电容器并联使用，以最小化等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）贡献，以输出纹波以及电流共享，以确保可靠的操作。基于其额定纹波电流，工作电压和寄生剂选择零件。
图3绘制由ESR、ESL和电容产生的纹波电压贡献。ESR的贡献是电阻*电流，电容分量是电流和时间的积分，产生三角波，ESL分量可以表示为导数，在每个开关瞬间出现一个瞬时尖峰，产生高频脉冲类噪声。整个电容器的总电压波动由这三个组成部分的复合和组成:
在输出处看到的峰峰电压纹波与电容和开关频率成反比，但与负载电流、ESR和ESL成正比。
图3此运行分析显示了ESR、ESL和电容对纹波电压的影响。
图4比较从钽和多层陶瓷电容器（MLCC）测量的纹波电压。MLCC具有较低的内在ESR，并增加电容量进一步减少纹波。
图4这些图显示电容器类型和电容对纹波电压的影响。
输入电容将在DC-DC开关处看到的源纹波电压降低到体积电容器可以处理的水平，而不影响后者的ESR耗散。对于降压调节器，当FET接通并导通时，其输入电流的交流部分由电容提供。当高侧开关断开时，输入电容充电并跟踪集成电路(中)图1绘制了其不连续的、具有高di/dt和峰-峰振幅的梯形波形。这个源不能产生这样一个快速变化的脉动电流。
体积输入电容用于最小化源电压偏差，以确保负载瞬态时的稳定输出。电容越大，扰动越小，这与负载电流的变化成正比。
确定输入电容量的良好起始场所是指定峰峰值电压纹波的目标电平，这与电容和开关频率成反比，但与负载电流和ESR成比例：
对于降压调节器，输入电容的均方根电流远高于输出电容，前者是由其应力要求决定的，而在输出，它只是最大允许负载纹波决定电容的数量。一个电容的最大允许有效值电流可以从它的最大功耗计算出来，从它的外壳尺寸，ESR，和可容忍的温升。
通常，多种不同的电容器并联使用，以最大限度地减少ESR和ESL对输入纹波的贡献，以及共享电流，以确保可靠运行。根据额定纹波电流、工作电压、自热、ESR和ESL来选择部件，由于多层陶瓷的低寄生性能，采用了多层陶瓷。因此，观察到的纹波几乎完全是由实际电容引起的，必须注意热和直流偏置对电容值的影响。电介质对温度不太敏感，通常用来使电容的变化最小化。温度越高，可靠性越低，包括寿命。
设计降压调节器时有许多权衡：更高的开关频率降低了输入和输出电容器中的纹波电压水平，以及降低DC-DC所需的电容量。然而，降低后者增加了电压纹波的幅度，并以更快的速率切换增加了交流损耗，影响效率。也有优化的机会，例如，对于给定电压纹波目标，如果开关频率增加到利用较小的能量存储部件，则可以降低电容。
较小的电感具有较低的DCR，提高瞬态响应，并且给定瞬态性能所需的输出电容更小。更大的电感导致更低的纹波电流，因此更少的电容需要一个等效的输出纹波。
如果电感器的饱和电流超过，它的电感将下降，增加纹波电流:电感下降30%，纹波电流将增加> 40%，同时使铁芯饱和。屏蔽电感减少EMI和潜在干扰，但稍贵，因为增加制造成本。屏蔽倾向于降低饱和电流，饱和电流反过来又降低了最大允许均方根电流。Lsat也随温度而变化!
直到下个月，第一个告诉我0603和0805尺寸的MLCC的最大功耗将赢得一个火箭科学家的课程世界巡演的t恤。恭喜来自加拿大多伦多的戴夫，他是第一个回答我的谜语的人以前的文章。
本文最初发表于edn.。
Rajan Bedi博士是spacechips.该公司为通信、地万博投注网址球观测、导航、互联网和M2M/物联网卫星设计和建造一系列先进的L - ku波段超高通量星载处理器和转发器。Spacechips的设计咨询服务开发定制的卫星和航天器子系统，并为客户提供如何使用和选择正确的组件，以及如何设计、测试、组装和制造空间电子产品的建议。也可以联系拉詹推特。
相关文章: