【導讀】本文是係列文章中的第一篇
，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開kai關guan穩wen壓ya器qi的de功gong率lv級ji設she計ji中zhong麵mian臨lin的de複fu雜za難nan題ti，重zhong點dian分fen析xi電dian感gan問wen題ti。設she計ji人ren員yuan為wei了le獲huo得de各ge種zhong優you勢shi，例li如ru減jian少shao輸shu出chu紋wen波bo和he盡jin量liang縮suo減jian解jie決jue方fang案an尺chi寸cun，往wang往wang會hui選xuan擇ze超chao出chu推tui薦jian範fan圍wei的de電dian感gan值zhi。

問題

為什麼我的電源會出現振鈴和過熱？

回答

電感器尺寸不當和超出電感飽和電流額定值可能會導致DC-DC轉換器出現多種問題，其中兩個問題是振鈴和過熱。

摘要

本文是係列文章中的第一篇，該係列文章將討論常見的開關模式電源(SMPS)的設計問題及其糾正方案。本文旨在解決DC-DC開kai關guan穩wen壓ya器qi的de功gong率lv級ji設she計ji中zhong麵mian臨lin的de複fu雜za難nan題ti，重zhong點dian分fen析xi電dian感gan問wen題ti。設she計ji人ren員yuan為wei了le獲huo得de各ge種zhong優you勢shi
，例li如ru減jian少shao輸shu出chu紋wen波bo和he盡jin量liang縮suo減jian解jie決jue方fang案an尺chi寸cun，往wang往wang會hui選xuan擇ze超chao出chu推tui薦jian範fan圍wei的de電dian感gan值zhi。然而，選擇電感值過大或過小的元件都會導致意想不到的後果，可能會造成芯片嚴重損壞並降低效率。本文還將分析探討：如果不采取適當的措施，確保負載電流不會超過電感的最大飽和額定值，會出現什麼情況。

什麼是開關模式電源

SMPS是一種高效穩壓器，可降低輸入電壓（降壓轉換器）、升高輸入電壓（升壓轉換器）
，或同時執行這兩種操作（降壓-升壓轉換器）。圖1所示為基本開關轉換器拓撲。

圖1.常見的SMPS拓撲及其輸出公式。

每個SMPS都以同樣的方式工作：將能量存儲在電感器中
，並利用脈寬調製(PWM)jishulaihuodesuoxudeshuchu。zhexiezhuanhuanqidouyingzunxunfumiaopinghengdinglv，jizaiwentaixiagongzuoshi

，dianganzaiyigezhouqineidepingjundianliubixuweiling。yinci，dianganqibixuzailingyigezhouqikaishizhiqian，jiangchongdianjieduancunchudesuoyoudianliufangdian。

降壓轉換器操作

本文僅使用降壓轉換器來演示常見的設計錯誤。降壓轉換器的功率級由以下四個元件組成：電感器、輸出電容器、頂部FET（由開關表示）和底部FET（由二極管表示）
，見圖2。

圖2.簡化的降壓轉換器功率級。

電感器兩端的電壓通過以下公式計算：VL = L diL/dt。該電壓是開關節點與輸出電壓之間的差值。當頂部FET導通時

，VL是輸入電壓和輸出電壓之間的差值。當頂部FET關斷時
，由於開關節點接地
，因此差值為0 V減去輸出。diL/dt（或∆iL）是電感電流隨時間的變化量，通常稱為電感電流紋波。當頂部FET閉合（底部FET斷開）時，隨著流經電感器的電流增加


，電感器以磁通量的形式存儲能量。當頂部FET斷開，磁場消失時，底部FET會形成接地路徑，從而使電流在減小時仍能夠流向負載。圖3所示的電感電流波形中可以看出這一點。輸出電容用於獲得平穩的輸出紋波，並協助保持所需的輸出電壓。降壓轉換器的輸出電壓由VOUT = DVIN得出，其中D是占空比
，定義為頂部FET導通並對電感器充電的時間占總周期時間的百分比。

圖3.電感電流波形。當頂部FET導通時
，流經電感器的電流充電；當頂部FET關斷時
，流經電感器的電流放電。

推薦的電感器尺寸

在設計SMPS時，必須選擇正確的電感值
，以確保電感電流紋波(ΔiL)在可接受範圍內。建議降壓轉換器的電感紋波應介於所施加負載電流的30%至40%之(zhi)間(jian)。通(tong)常(chang)認(ren)為(wei)此(ci)範(fan)圍(wei)比(bi)較(jiao)理(li)想(xiang)
，既(ji)足(zu)以(yi)捕(bu)獲(huo)準(zhun)確(que)的(de)信(xin)號(hao)並(bing)將(jiang)其(qi)傳(chuan)送(song)到(dao)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)反(fan)饋(kui)係(xi)統(tong)，又(you)不(bu)會(hui)過(guo)大(da)
，導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)進(jin)入(ru)斷(duan)續(xu)導(dao)通(tong)模(mo)式(shi)(DCM)。DCM是一種狀態，在該狀態下，因電流紋波太大而迫使電流低於0 A
，以便將負載電流維持在所需值。然而，一旦達到0 A，FET內部的二極管就不再導通，從而防止電流降至0 A以下。一般基於以下公式來正確選擇電感：

此公式表明，開關頻率與電感成反比
，這意味著頻率越高
，充電時間就越短，從而可以使用更小的電感實現正常操作（節省占用空間和成本）。

電感器飽和

在SMPS設she計ji中zhong，常chang見jian的de一yi種zhong災zai難nan性xing錯cuo誤wu就jiu是shi在zai選xuan擇ze功gong率lv電dian感gan時shi忽hu略lve了le電dian流liu飽bao和he額e定ding值zhi。當dang流liu經jing電dian感gan的de電dian流liu超chao過guo飽bao和he電dian流liu額e定ding值zhi時shi，電dian感gan器qi鐵tie芯xin飽bao和he，這zhe意yi味wei著zhe產chan生sheng的de磁ci場chang將jiang不bu再zai與yu消xiao耗hao的de電dian流liu成cheng比bi例li地di增zeng加jia。這zhe會hui破po壞huai伏fu秒miao平ping衡heng定ding律lv，導dao致zhi電dian感gan電dian流liu紋wen波bo和he輸shu出chu電dian壓ya紋wen波bo失shi去qu線xian性xing特te性xing。當dang鐵tie芯xin飽bao和he時shi，電dian感gan值zhi會hui迅xun速su降jiang低di，其qi行xing為wei更geng像xiang電dian阻zu而er不bu是shi電dian感gan。由you於yu電dian感gan器qi的de有you效xiao串chuan聯lian電dian阻zu(ESR)增zeng加jia，而er實shi際ji電dian感gan減jian小xiao
，因yin此ci，為wei了le滿man足zu伏fu特te秒miao平ping衡heng

，電dian流liu變bian化hua量liang將jiang被bei迫po增zeng加jia。在zai飽bao和he電dian流liu波bo形xing中zhong觀guan測ce到dao尖jian峰feng是shi電dian流liu斜xie率lv呈cheng指zhi數shu增zeng加jia造zao成cheng的de，如ru圖tu4所示。該電流尖峰會影響輸出電壓
，從而導致更多噪聲和電壓尖峰，如圖5所示。如果電壓尖峰過大，超過下遊元件的最大電壓額定值，噪聲和電壓尖峰可能會損壞下遊元件，並降低EMI性能。

圖4.飽和電感電流波形。波形在電流超過飽和額定值之前表現正常。

圖5.飽和電感輸出紋波。尖峰會延續到輸出，其中包含噪聲和電壓尖峰。

此外，在電流波動較大的情況下，電感器會經曆快速磁滯損耗，從而導致電感器散熱過多（如圖6所示）並產生可聞噪聲。過多的熱量可能會損壞附近的其他元件（尤其是穩壓器芯片本身）。

圖6.電感器飽和散熱溫度為226°F (107.78°C)。

為wei避bi免mian出chu現xian此ci問wen題ti，設she計ji人ren員yuan應ying選xuan擇ze額e定ding電dian流liu至zhi少shao比bi預yu期qi最zui大da電dian流liu高gao兩liang倍bei的de電dian感gan器qi。在zai計ji算suan最zui大da電dian流liu時shi，一yi定ding要yao考kao慮lv電dian感gan電dian流liu紋wen波bo以yi及ji輸shu出chu端duan消xiao耗hao的de負fu載zai電dian流liu。此ci外wai，設she計ji人ren員yuan還hai可ke以yi參can考kao所suo選xuan電dian感gan器qi的de數shu據ju手shou冊ce
，了le解jie在zai多duo大da電dian流liu下xia電dian感gan值zhi會hui降jiang低di10%到30%，這就是飽和的定義。選擇具有適當飽和電流額定值的電感器將會使係統正常運行，如圖7中流經電感器的線性電流所示。輸出電壓尖峰將會消失，如圖8所示。最後，係統將在更低的溫度下運行（如圖9所示）

，從而減少對設備的影響並延長設備的使用壽命。

圖7.標稱電感電流波形。

圖8.標稱電感輸出紋波。

圖9.標稱電感散熱溫度為99.7°F ( 37.61°C)。

超小電感器麵臨的難題

shejirenyuantongchangweilejieshengzhanyongkongjiangengqingxiangxuanzedianganzhijiaoxiaodediangan，zheyangdedianganqixianquanshuliangjiaoshao，yinciwaixingchicunjiaoxiao。raner
，ruguodianganqitaixiao，wenbodianliujiuhuihenda
，binghuiposhizhuanhuanqijinruDCM模式，這對於SMPS來說是不可取的
，因為器件的效率會降低
，電磁幹擾(EMI)性能也會變差。當開關節點出現振鈴時，可能會觀測到這種EMI性能下降現象，這是由寄生效應和LC諧振電路（產生諧振電路）引起的，如圖10所示。這種振鈴會影響輸出電壓
，從而導致更大的紋波和更多的電壓尖峰，如圖11所示。此外
，電源不再處於連續導通模式(CCM)
，並且推導出的SMPS輸出公式不再適用。

圖10.超小電感輸出波形。如果無法獲得電感電流，也會在開關節點處觀測到振鈴現象。

圖11.超小電感電流波形。電流和RSENSE中出現振鈴表明電源處於DCM模式。

為了解決此問題，設計人員應選擇能夠提供約30%至40%電流紋波的電感。這樣就會降低電感電流紋波的幅度，使器件從DCM返回CCM模式
，如圖12所示。這也會改善輸出電壓紋波
，消除電壓尖峰，如圖8所示。如果設計人員在計算所需電感值和選擇適用元件時遇到困難
，可以使用LTPowerCAD來協助設計和選擇功率級元件。

圖12.標稱電感電流波形。

超大電感器麵臨的難題

連接到SMPS的(de)下(xia)遊(you)電(dian)子(zi)元(yuan)件(jian)通(tong)常(chang)具(ju)有(you)指(zhi)定(ding)的(de)電(dian)源(yuan)電(dian)壓(ya)和(he)相(xiang)關(guan)容(rong)差(cha)。如(ru)果(guo)電(dian)壓(ya)軌(gui)上(shang)的(de)紋(wen)波(bo)過(guo)大(da)

，將(jiang)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)。例(li)如(ru)，如(ru)果(guo)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)電(dian)源(yuan)規(gui)格(ge)為(wei)3.3 V ±50 mV
，則紋波大於±50 mVkenenghuidaozhiweikongzhiqiguanbi。shejirenyuanyibantongguozengjiadianganqidechicunlaijianshaozhezhongwenbo。raner，ruguodianganqichicunguoda
，dianliuwenboyijishuchudianyawenbohuixianzhujianshao。jinguanzhetingqilaikequ
，dantahuidaozhifankuixitongchuxianwenti
，erqiehaihuidaozhishuntaixiangyingbianman。xiaowenbojiangshichuanlianjiancedianzuhennanjiancedaobianhua

，congershichuandidaofankuihuanludechangjiansanjiaoboxingshizhen。dangdiangandianliuwenbojiaoxiaoshi，xinzaobi(SNR)會降低。這會導致反饋環路將噪聲記錄為電感器信號，從而導致輸出信號不穩定（表現為抖動），如圖13所示。

圖13.輸出不穩定造成抖動。超大電感輸出波形表現出持續特性。突出顯示的波形采用標稱電感捕獲。

此外，電感值越大，飽和電流額定值通常越小。這可能會導致電感飽和，對於器件而言非常危險，如“電感器飽和”部分所述。超大電感飽和帶來的影響如圖14所示。

圖14.電感值為標稱值22倍的電感器的飽和電感輸出波形。額定電流不會隨電感成比例增加。

為了緩解此問題
，設計人員切記
，輸出電壓紋波可通過改變輸出電容選擇來控製。通過增加輸出電容器的值或降低其ESR，可以減少輸出電壓紋波，而無需增加電感器的值。這樣電感電流紋波值保持在30%到40%之間
，從而使檢測架構能夠正確獲取信號。這一點可以從圖15中看出。

圖15.標稱檢測電阻波形。

結論

本ben文wen可ke作zuo為wei分fen析xi降jiang壓ya轉zhuan換huan器qi中zhong電dian感gan器qi設she計ji問wen題ti的de指zhi南nan。此ci外wai，本ben文wen旨zhi在zai為wei設she計ji人ren員yuan提ti供gong實shi用yong解jie決jue方fang案an，避bi免mian出chu現xian文wen中zhong所suo述shu的de任ren何he幹gan擾rao行xing為wei。通tong過guo適shi當dang調tiao整zheng電dian感gan大da小xiao，將jiang電dian感gan紋wen波bo保bao持chi在zai輸shu出chu的de30%至40%範圍內，對於確保器件保持在CCM狀態，並且不會引起幹擾抖動或飽和至關重要，這種抖動或飽和可能會對負載或穩壓器芯片本身造成致命影響。

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