开关电源的电感选择和布局布线

好人

参考电路模型默认电感的DCR（Direct Constant Resistance）为零。



Buck/Boost型开关电源，伴随开关管的开和关，储能电感的电流波形如图1-3所示：



从图中可以看到，电感的电流波形等价于在直流IDC上叠加一个IP-P值为ΔI的交流。因而，IDC成为输出电流IO，主要消耗在负载上；交流ΔI则消耗在负载电容的ESR（Equation Serial Resistance）上，成为输出纹波Vripple。



在一个连续模式的周期内，开关管闭合，对电感进行充电，根据基尔霍夫定律有：





r也叫电流纹波比，是纹波电流与额定输出电流之比。对于一个给定Buck型开关电源，此值一般为常量。从（5）式可以得到：电感值越大，就越小，因此r就越小。但这往往导致需要一个很大的电感才能办到，所以绝大部分的Buck型开关电源选择r值在0.25~0.5之间。



至此，我们推导出了Buck型开关电源的D、L、Lmin和η。需要提醒的是以上所有公式都建立在参考电路模型的基础上，忽略了电感的DCR。
从（4）式可以看到，占空比只与Vi、Vo、Vsw和VD相关，可以很容易搭建电路计算出D，这也是开关电源控制器的核心电路之一，但对开关电源的应用者来说，我们可以不关心。
从（8）式可以看出，开关电源的效率η也只与Vi、Vo、Vsw和VD相关。事实上Vsw和VD是开关频率fsw的函数，所以η也是fsw的函数，但并不能保证fsw越高，η就越高。而对于一个给定的Buck型开关电源，其fsw是确定的，所以η也就是定值，尤其在忽略Vsw和VD后，η值为1。很明显这与实际情况不符，根本原因就在于“参考模型假定储能电感为理想电感”。把（5）式代入（1）式，可以得到：





二、电感最小值选取
公式（7）、（12）分别给出了通用的Buck和Boost型开关电源的电感最小值选取公式。对像手机、PMP、数据卡这类的消费类电子用到的低功率开关电源，Vsw和VD都在0.1V~0.3V之间，因此可对公式（7）、（12）进行简化，得到：




以PM6658的Buck电源MSMC为例，Vi为3.8V，Vo为1.2V，r为0.3，fsw为1.6MHZ,Io_rated位500mA则Lmin为3.08uH。若选用的电感容差为20%，则1.25*Lmin=3.85uH。据计算值最近的标准电感值为4.7uH，所以PM6658 spec推荐的最小电感值就是4.7uH。

三、电感参数选取
除了上面讲的感值和容差（Tolerance）外，电感还有以下重要参数：自激频率（Self-resonant frequency，fo），DCR，饱和电流（Saturation current，ISAT）和均方根电流（RMS current，IRMS）。尽管参数很多，但准则只有一条：尽量保证fsw下电感的阻抗最小，让实际电路和理想模型吻合，降低电感的功耗和热量，提高电源的效率。

3.1自激频率fo
理想模式的电感，其阻抗与频率呈线性关系，会随频率升高而增大。实际电感模型如图3-1-1所示，由电感L串联RDCR和寄生电容C并联而成，存在自激频率fo频率小于fo时呈感性，大于fo时呈容性，在fo处阻抗最大。



经验值：电感的自激频率fo最好选择大于10倍开关频率fsw。
3.2直流电阻RDCR
电感的直流电阻RDCR自身会消耗一部分功率，使开关电源的效率下降，更要命的是这种消耗会通过电感升温的方式进行，这样又会降低电感的感值，增大纹波电流和纹波电压，所以对开关电源来讲，应根据芯片数据手册提供的DCR典型值或最大值的基础上，尽可能选择DCR小的电感。
3.3饱和电流ISAT和均方根电流IRMS（电感烧毁问题）




电感的饱和电流ISAT指其感值下降了标称值的10%~30%所能通过的最大电流。如图3-3-2所示，4.7uH电感下降为3.3uH时的电流约为900mA，因此其ISAT（30%）是900mA。



电感的均方根电流IRMS指电感温度由室温25℃上升至65℃时能通过的均方根电流。
ISAT和IRMS的大小取决于电感磁饱和与温度上升至65℃的先后顺序。
当标称输出电流大于ISAT时，电感饱和，感值下降，纹波电流、纹波电压增大，效率降低。因此，电感的ISAT和IRMS中的最小值应高于开关电源额定输出电流的1.3以上。


四、电感类型选取
在明确了最小电感值的计算和电感参数的选取后，有必要对市面上一些流行的电感类型做比较分析，下面会围绕：大电感和小电感、绕线电感和叠层电感、磁屏蔽电感和非屏蔽电感进行对比说明。

4.1同尺寸下的大电感和小电感
这里“同尺寸”指电感的物理形状大致相同，“大小”指标称容量不同。一般小容量的电感具有如下优势：l 较低的DCR，因此在重载时会有更高的效率和较少的发热；l 更大的饱和电流；l 更快的负载瞬态响应速度；
而大容量的电感具有较低的纹波电流和纹波电压，较低的AC和传导损失，在轻载时有较高的效率。图4-1-1所示是Taiyo Yuden三种 2518封装不同容量大小的电感负载电流跟效率的关系曲线。



4.2绕线电感和叠层电感
相比于绕线电感，叠层电感具有如下优势：l 较小的物理尺寸，占用较少的PCB面积和高度空间；l 较低的DCR，在重载时有更高的效率；l 较低的AC损失，在轻载时有更高的效率；
但是，叠层电感的ISAT也较小，因此其在重载时会有较大的纹波电流，导致输出的纹波电压也相应增大。图4-2-1所示是Taiyo Yuden的两种绕线电感与三星的两种叠层电感负载电流和效率的关系曲线。



4.3磁屏蔽电感和非屏蔽电感
非屏蔽电感会有较低的价格和较小的尺寸，但也会产生EMI。磁屏蔽电感会有效屏蔽掉EMI，因此更适合无线设备这样EMI敏感的应用，此外它还具有较低的DCR。
五、电感选取总结
根据前面几节内容的介绍，我们可以按照以下步骤选择适合的电感：

（1） 计算Lmin和推荐电感参数：fo、DCR、ISAT、IRMS；（2） 在保证（1）的前提下，依据物理尺寸要求和性价比，折中选择：大电感还是小电感，叠层电感还是绕线电感，磁屏蔽电感还是非屏蔽电感。

六、开关电源布局







以Buck电路为例，不管开关管是由闭合-打开还是打开-闭合，电流发生瞬变的部分都如图（c）所示，它们是会产生非常丰富的谐波分量的上升沿或下降沿。通俗的讲，这些会产生瞬变的电流迹线（trace）就是所谓的“交流”（AC current），其余部分是“直流”（DC current）。当然这里交直流的区别不是传统教科书上的定义，而是指开关管的PWM频率只是“交流”FFT变换里的一个分量，而在“直流”里这样的谐波分量很低，可忽略不记。所以储能电感属于“直流”也就不奇怪，毕竟电感具有阻止电流发生瞬变的特性。因此，在开关电源布局时，“交流”迹线是最重要和最需要仔细考虑的地方。这也是需要牢记的唯一基本定律（only basic rule），并适用于其它法则和拓扑。下图表示了Boost电路电流瞬变迹线，注意它和Buck电路的区别。



1inch长，50mm宽，1.4mil厚（1盎司）的铜导线在室温下的电阻为2.5mΩ，若流过电流为1A，则产生的压降是2.5mV，不会对绝大部分IC产生不利影响。然而，这样1inch长的导线的寄生电感为20nH，由V=L*dI/dt可知，若电流变化快速，可能产生很大的压降。典型的Buck电源在开关管由开-关时产生的瞬变电流是输出电流的1.2倍，由关-开是产生的瞬变电流是输出电流的0.8倍。FET型开关管的转换时间是30ns，Bipolar型的是75ns，所以开关电源“交流”部分1inch的导线，流过1A瞬变电流时，就会产生0.7V的压降。0.7V相比于2.5mV，增大了近300倍，所以高速开关部分的布局就显得尤为重要。
尽可能地把所有外围器件都紧密地放在转换器的旁边，减少走线的长度会是最理想的布局方式，但限于极其有限的布局空间，实际往往做不到，因此有必要根据瞬变压降的严重程度按优先级顺序进行。对Buck电路，输入旁路电容须尽可能靠近IC放置，接下来是输入电容，最后是二极管，采用短而粗的迹线将其一端与SW相连，另一端与地相连。而对Boost电路布局来说，则是按输出旁路电容，输出电容和二极管的优先级顺序进行布局。.

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