1.前言

在我們的的新設(shè)計(jì)電源中，需要在一半的空間放置電容電感器件，這樣導(dǎo)致我們的PCB設(shè)計(jì)布局非常大。

但是如果我們選擇了最小的負(fù)載點(diǎn)穩(wěn)壓器，并使用最具成本效益的無源元件生成了最緊湊的布局，減小PCB板面。但是然后我們檢查看關(guān)鍵的輸出紋波，發(fā)現(xiàn)紋波超出了我們的預(yù)期。這是什么原因?qū)е碌哪?/span>？

2.分析DCDC紋波出現(xiàn)的原因

讓我們首先了解是什么構(gòu)成了降壓 DC/DC 穩(wěn)壓器的輸出紋波。它是一個(gè)復(fù)合波形。

傳統(tǒng)上只考慮了圖 1 中顯示的三個(gè)主要元素：

（1）通過在輸出電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 上施加電感電流斜坡產(chǎn)生的三角波。22 μF X5R 陶瓷電容器的 ESR 可能僅為 2 mΩ。考慮到 1 A 的電感峰峰值電流紋波，ESR 紋波為 2 mV（如果您使用多個(gè)并聯(lián)電容器則更少）。

（2）由于輸出電容而產(chǎn)生的偽正弦分量。對于與上述要點(diǎn)相同的輸出電容器和紋波電流，電容紋波將約為 8 mV（對于多個(gè)并聯(lián)輸出電容器而言，較小）。

（3）輸出電容器等效串聯(lián)電感 (ESL) 兩端產(chǎn)生的方形分量。對于 22 μF X5R 電容器，ESL 約為 0.5 nH，產(chǎn)生約 2 mV 的紋波。

圖 1：典型的輸出紋波波形

但是，在我們測量的結(jié)果在邊緣有尖峰，并且當(dāng)您反轉(zhuǎn)圖 2 中所示的電感器時(shí)，方波內(nèi)容會改變極性：

圖 2：測量的輸出紋波

是什么導(dǎo)致了這些不良成分？更重要的是，你能做些什么呢？

3.紋波的尖峰

當(dāng)我們選擇電感器時(shí)，自諧振頻率 (SRF) 高于您的穩(wěn)壓器開關(guān)頻率，因此一切正常。讓我們重新審視一下——電感器具有 SRF，因?yàn)樗哂胁⒙?lián)寄生電容。將開關(guān)電壓的快速邊沿施加到寄生電容會產(chǎn)生通過電容器的大電流尖峰，進(jìn)而在輸出電容器的 ESL 兩端產(chǎn)生大電壓尖峰（參見公式 1）：

       (1)

為了減少這個(gè)峰值：

（1）選擇寄生電容較小的電感。尋找您需要的電感和額定值的最高 SRF 值。較低的電感往往具有較低的寄生電容（較低的額定電流也是如此），因此不要過度指定電感或額定電流。

（2）減小輸出電容 ESL。選擇滿足您的輸出電容要求的最小電容器封裝尺寸。并聯(lián)使用多個(gè)較小的電容器意味著每個(gè)電容器的封裝尺寸（以及 ESL）可以更小，而并聯(lián)電感器也會降低總 ESL。

（3）降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)的瞬態(tài)電壓 (dV/dt)（增加 t 值）。一些穩(wěn)壓器可能允許直接控制開關(guān)節(jié)點(diǎn)邊緣，但更多情況下，您可以將一個(gè)小電阻與自舉電容器串聯(lián)以減慢邊緣。這會影響效率，因此前兩個(gè)選項(xiàng)更可取。

4.方波

假設(shè)我們選擇了經(jīng)濟(jì)高效的非屏蔽電感器。來自未屏蔽（或樹脂屏蔽電感器）的磁場可以擴(kuò)散到組件的物理主體之外。圖 3 中的仿真圖顯示了非屏蔽開放式磁鼓電感器和全屏蔽模制電感器的磁場。 

圖 3：非屏蔽磁鼓和屏蔽模制電感器的磁場（來源：Coilcraft 提供）

這種緊湊的布局在電感器旁邊放置了輸出電容器。逃逸的磁場耦合到電容器的 ESL（在較小程度上耦合到輸出軌道環(huán)路）并生成方波分量。當(dāng)電感反向時(shí)，電感中的電流和磁場反向（就像交換耦合電感中的點(diǎn)），因此方波分量反向。

 

為了減少這種影響：

 

（1） 選擇屏蔽電感以減少產(chǎn)生這種耦合的漏磁通。如果您使用的是非屏蔽或半屏蔽電感，選擇 xy 尺寸較大但輪廓較小的電感將降低氣隙高度，從而降低邊緣通量。

（2） 如上所述減小輸出電容ESL。

（3） 不要將輸出電容器和跟蹤直接放置在電感器旁邊，那里是磁場最高的地方。在空間至關(guān)重要的情況下，考慮將電感器放置在電路板的另一側(cè)，以翻蓋式結(jié)構(gòu)與穩(wěn)壓器電路的其余部分相對。這使輸出電容器遠(yuǎn)離磁場最強(qiáng)的電感器平面。

 

現(xiàn)在我們可以查看輸出紋波波形并拆開不同的組件。通過選擇正確的外部無源器件并在布局上做出一些謹(jǐn)慎的決定，我們?nèi)匀豢梢詫?shí)現(xiàn)微型、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案并優(yōu)化應(yīng)用的輸出紋波。