稳压电路的元器件选型

xiaoming11

前言
  j# ]: ^2 f7 q8 r' K稳压电路的设计对输出稳定电压，电流有着重要的影响，电容，电感，电阻的选型都有设计的规律可循。

一、输入电容的选型
示例：
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TPS54232需要一个输入去耦电容器，去耦电容的典型推荐值为10μF。推荐使用高质量的X5R或X7R型陶瓷。额定电压应大于最大输入电压。在满足所有其他要求的情况下，可以使用较小的值；然而，10μF已经被证明在各种各样的电路中都能很好地工作。应该被额定来处理包括纹波电压在内的最大输入电压，并且应该对输出进行滤波，使输入纹波电压是可接受的。在这个设计中，一个10μF的电容作为输入去耦电容。它是X5R绝缘额定25 V。
& o, T2 f$ S# N作用：输入电容起到储能，滤波与提供瞬态电流作用，在连续模式中，转换器输入电流时一组占空比约为VOUT/VIN的方波，为了防止大的瞬态电压，必须采用针对最大RMS电流要求而选择ESR（等效串联电阻）输入电容器。
输入电容的取值会影响输出电压纹波，和电流纹波。
; X+ z, O. t4 [/ @
7 e4 N, p6 z0 r! {  R- k0 {2 O对电压纹波的影响：
% e8 u/ ?* l1 Z6 V9 B* {% _

①：
△V：输出纹波
' |# |& k6 E. K* p- v& `Io：电流输出最大值-2A
Cbulk：电容器容量-10μF
; s$ Y& J  H: e6 PFsw：开关频率
. N$ Y4 N# ]# U8 w  G, ~ESRmax：等效串联电阻-5mΩ
4 n+ d9 e: W# O4 P5 u由上式①可以得到电压纹波为60mV
& N9 X. N! W2 a7 d! N  C. d
: a9 Y9 o- _) L0 n对电流纹波的影响：在最坏的情况下，纹波能达到最大输出电流的一半

②：

在这种情况下，输入纹波电压为60mv, RMS纹波电流为1A。同样重要的是要注意，实际输入电压纹波将受到与电压源的布局和输出阻抗相关的寄生影响。实际输入电压纹波大于计算值，这个测量值仍然低于指定的输入限制300毫伏。通过输入电容的最大电压是VIN max加上VIN/2。所选滤波电容，旁路电容每个额定为25 V，纹波电流容量大于3 A，都提供了充足的裕度。在任何情况下都不能超过电压和电流的最大额定值，这一点非常重要。
8 Q6 H  R1 n& ^) h
8 k/ [: I1 s% a1 I4 P% d0 [! Z二、滤波电感的选型
( o4 d. u: Q7 Z& Y( E计算电感的最小值

③：

Vout：电压输出峰值
+ i& p: M- N$ u. `Fsw：开关频率
+ b4 G7 D8 n% ?7 U1 N: r4 _5 LVin-max：最大输入电压
& O& S1 `/ q% FK-ind：K-ind是一个系数，表示电感纹波电流相对于最大输出电流的大小。一般来说，这个值是由设计师决定的;但是，可以使用以下指南。对于使用低ESR输出电容(如陶瓷)的设计，可以使用KIND = 0.4的值。当使用更高ESR输出电容时，KIND = 0.2的效果更好。
Iout：输出电流
  E4 x( W" F% K% G对于输出滤波器电感，重要的是不能超过RMS电流和饱和电流额定值。
电感的峰值到峰值电流是用④计算的。

④

电感RMS电流由⑤计算：
0 s& i0 Y3 X( k8 y& p' w

⑤

峰值电感电流由⑥计算：
8 @4 W* q" D* t$ v! u3 |3 v3 x

⑥

所选用电感的参数RMS电流和饱和电流额定值，需要大于上述所计算值，上述计算值应为最小值。电感饱和电流最小为1.5×IOUTmax，选用低直流电阻的电感可获得更高的转换效率。
. Q, T9 q3 x- S( Y- `* L而追求更大的效率（即，使用低一点的电感，此时也大于Lmin）纹波比高一些的电感，纹波会相对大一些。【电感追求更高效率的同时，会导致纹波的增加，高电感效率低纹波小】
$ ?4 |2 T" G4 y+ Q* N
三、输出电容的选型
  k# u- d$ W$ k. R# h4 }' D- \输出电容的重要设计因素是直流额定电压、纹波额定电流和等效串联电阻(ESR)。不能超过直流电压和纹波电流额定值。ESR很重要，因为它和电感电流一起决定了输出纹波电压的大小。输出电容的实际值不是临界值。但也存在一些实际的限制。考虑设计所需的闭环交叉频率与输出滤波器的LC角点频率之间的关系。一般来说，保持闭环交叉频率小于开关频率的1/5是可取的。在高开关频率(如本设计的1 MHz频率)下，TPS54232的内部电路限制将实际最大交叉频率限制在70 kHz左右。一般情况下，闭环交叉频率应高于由负载阻抗和输出电容决定的转角频率。
/ H1 x' X) D* O6 F5 r/ q这将输出滤波器的最小电容值限制为:
9 Y% a& H8 g7 U0 R& G

⑦

其中Ro是输出负载阻抗(Volo)， Fco是期望的交叉频率。对于50 kHz的期望最大交叉，输出电容的最小值约为2.5 uF。这可能不能满足输出纹波电压的要求。输出纹波电压由两部分组成;输出滤波电容的充放电引起的电压变化和纹波电流引起的电压变化乘以输出滤波电容的ESR。
; A3 D0 h. F1 i4 ?输出纹波电压可以通过:
  J( @0 C* u6 b3 a1 Y

⑧

四、肖特基二极管
) X" n! H* }9 k# D6 R( J肖特基二极管，续流作用，VF值【导通压降】越低，转换效率越高。续流二极管额定电流值大于最大输出电流，正常工作时平均正向电流：⑨IDAVG=IOUTmax×【VIN-VOUT】/VIN
【一般来说二极管平均正向电流选型可以＞=1.3IOUTmax】
续流二极管反向耐压大于最高输入电压，建议预留30%以上余量。
3 {9 Q6 D, Y, E% V7 N1 P
PCB设计注意：
VIN,GND,SW,VOUT+,VOUT-是大电流途径，注意走线宽度，减少寄生参数对系统性能影响。输入电容靠近VIN,GND放置，电解电容，陶瓷电容组合使用，FB走线远离电感和肖特基等有开关信号地方，哪里需要稳定就反馈哪里，FB走线使用地线包围较佳。
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输出电容的重要设计因素是直流额定电压、纹波额定电流和等效串联电阻
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TPS54232需要一个输入去耦电容器，去耦电容的典型推荐值为10μF

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保持闭环交叉频率小于开关频率的1/5是可取的