本帖最后由 rollei120 于 2012-9-21 20:41 编辑
论坛上经常有人问，移动电源的输入电容，电感要用多大的？如何改造？而我看到的回答，大多都是模棱两可的。于是想写写如何设计好一个电源。
今天开始讲讲如何设计一个DC-DC的升压（booster）开关电源。简单一点，从现成的开关IC入手，（分立元件，我也不会）。找一个booster的IC，
能把锂电（3.0-4.2V）升压到5.0V，最大输出电流能到1A。
我找了这个IC：intersil公司的ISL97516.他的规格书：
http://www.intersil.com/content/dam/Intersil/documents/fn92/fn9261.pdf
在选择IC的时候，我们需要先看看这个IC的主要指标，是否适合。
1， 这是一个异步整流的IC，规格书上说效率>90%,当然这要看输入电压的高低了。
2， 2.0A，0.2欧姆的功率MOS管（在5v输出时，最大在1A左右，后面的规格里有说的）
3， 输入电压：2.3~5.5V（符合锂电池的电压范围） 4， 可调输出电压，最大到25V（也符合我们要升到5V的要求）
5， 600KHz/1.2MHz可选开关频率。
6， 内建温度保护
电路看上去也很简单：
Pin脚的定义这些，我就不啰嗦了，大家可以看规格书。我重点讲一下“Applicationinformation”应用的信息。
首先，我们来学习一下工作的原理。国外公司的规格书，写的都很详细，会把一些理论的东西附上，有助于工程师理解工作的原理。
图10（figure10）是一个抽象化了的升压（Boost）示意图，里面画出了所有关键的元件。简单来说，Boost工作时有2个循环。第一个循环（cycle），见图11（figure11）
第一个cycle里，内部的场效应管是导通的，肖特基管反向运作，如图中所示，MOS管短路到地，二极管相当于开路，输出端的电流不会回流。输出端的电流，靠Cout放电维持。输入电压Vin会通过电感L，电感的电流会以斜率Vin/L上升,在设个过程中，能量会存储在电感中。电感电流的变化量可以用下面这个公式（EQ.1）表示：
其中D是占空比（DutyCycle）
到第二个cycle时，功率场效应管FET关闭，肖特基二极管正向导通，具体见图12（Figure12）
存储在电感L中的能量，开始释放，经过肖特基管D留到输出端，同时给输出电容Cout充电。肖特基管D位于电感L和输出Vout之间，因此电感L两端的压降近似为Vin-Vout（肖特基的压降很小，0.2v左右，可忽略）。于是电感L在第二个cycle中的电流变化量可用下面这个公式表示：
电感在这两次循环（cycle）中，存储和释放的电流应该一样（理想状态），于是有下面的公式：
这里我们可用得到一个很有用的公式：Vout/Vin=1/(1-D)。 稍微改变一下，我们可以得出占空比的公式：D=1-Vin/Vout。这在以后的计算中，我们会用到这个公式。
补一张电感的电流图。电感的电流在开关周期中，呈现下面的样子，储能阶段，电流上升，释放能量阶段，电流下降。可以看到电流会有个峰值 Ipk。这个峰值也是我们选择电感时要参考的一个指标。具体会在以后提到。
设置输出电压
接下来，我们看下如何设置输出电压的大小（或者是改变你手中移动电源的输出电压），根据规格书，计算公式是这样的：
Vout=Vfb X (1+R1/R2)
Vfb是IC内部的参考电压，对于ISL97516来说是1.294V。其他IC可以参考他们的规格书。R1和R2是两个外部的反馈电阻。在最前面的具体电路图中，可以看到这两个电阻，上面标了R1=85.2K和R2=10K，这个值是对输出设置12V而言的。这里再画一个示意图：
FB为IC的反馈脚，VDD_OUT是电压输出端，反馈电阻R1直接接到输出端。我这里还多了个R3，下面会说到它。
同时规格书还规定了，这个电阻的网络值不应小于100K，即R1+R2<100K。当然R1+R2的值如果太小的话，会影响空载时的耗电。
如果我们要设置输出电压为5V，则5=1.294VX （1+R1/R2）。公式里有2个未知数，如何确定？首先要看你手上有什么电阻，比如10K的比较常见，那么我们可以设R2=10K，这样可以算出R1=28.64K。且10+28.64=38.64<100K符合要求。可是28.64k，这个 电阻值并不常见，怎么办？我们可以用2个电阻并联的方法去解决，也就是上面图中的R3的作用，想办法找两个现成的电阻值，并出28.64K来。我们可以用：R1=220K，R3=33K，并出28.69K的值。这样可以得到Vout=5.0V。
到这里我们可以知道如何调整电压了，对于其他IC来说，这个公式都是差不多的，只是你需要看规格书里提到的内部参考电压的值以及计算公式，不同的IC，这个值是不一样的。当然改动输出电压，你还需要考虑其他的因素，比如电容的耐压值，电感值，回路参数等。如果小范围改动，问题不大，若是大范围改动，则要考虑更多的因素。具体以后再说。
电感的选择
电感的选择对于开关电源来说非常重要，这会影响：输出纹波、暂态响应、输出负载能力和效率。电感的选择由输入电压，输出电压，开关频率和最大输出电流决定。
关于电感值，这份规格书里没有给出计算公式，只是说电感的选择范围在2-33uH。我在其他的资料里找到升压booster的电感计算公式，单位是uH：
说明：Vo输出电压
Vsw开关管的饱和压降，ISL97516规格书里并没有给出这个值的大小。
Vd 肖特基管的正向压降。
Io 设计的最大额定输出电流。
r 期望的电感纹波比率
f 开关的频率
D占空比
看上去挺复杂的，我用一个实际的例子，来计算一下。
1， Vo输出电压，我们是设计一个5V输出的电源，所以Vo=5V
2， VSw和Vd，这里我们可以近似忽略他们，他们的值都在0.2-0.4V左右，一正一负，相互抵消。
3， Io是我们设计时的输出最大额定电流，对于ISL97516，如果输出是5V，这个输出的电流Io是1A
4， r一般我们取30%-40%，这里我们取30%，（越小越好）
5， f开关频率，ISL97516有2个频率可以选择，600KHz和1.2MHz。
6， D占空比，之间我们已经得出占空比的公式了。
下面我开始计算：（先计算频率为600KHz）
占空比D=1-Vin/Vout
锂电的电压范围是3.0-4.2V。
当电池容量比较满时，Vinmax=4.2V，占空比Dmin=1-4.2V/5V=0.16
电感Lmin=VoX D X (1-D)^2 X 1000000/Io/r/f=5V X 0.16 X (1-0.16)^2 X1000000/1A/0.3/600000Hz=3.136uH
当电池就快没电时，Vinmin=3.0V，占空比Dmax=1-3.0V/5V=0.4
电感Lmax=VoX D X (1-D)^2 X 1000000/Io/r/f=5V X 0.4 X (1-0.4)^2 X1000000/1A/0.3/600000Hz=4uH
这里我们计算出2个电感值，一个是低输入电压时的4uH，一个是高输入电压时的3.136uH。我们需要选择高的4uH（保险起见，实际选择时可选择稍高值的，比如4.7uH），这样才能保证在电池快没电时，仍然能保证我们的输出质量。
对于这个电感的计算公式，我们可以看到，频率f越大，电感值越小，电感值越小，意味着电感的体积越小。如果ISL97516选择1.2mHz时，电感值可取2uH。这也是我们拆开电源时，看到有些用的电感很大，有些很小。很大的我们觉得用料很好，小的则对其指指点点。用电感的大小来判断电源好坏，并不是绝对正确的。
接着我们要知道流过电感的峰值，电感上的电流是不断变化的，且会出现一个最大值，见下图。我们需要知道这个最大值，做为选择电感的依据。
同样流过电感的峰值也可以用公式计算出来：
说明：
Iout输出的最大额定电流，这里我们设计的是1A
Vout输出的电压，我们设计的是5V
Vin 输入的电压，我们需要取最小的输入电压，快没有电时，3.0V
FREQ 我们取600kHz。
L则是我们刚才计算出的电感，选用4.7uH。（需要注意单位的换算，1H=10000uH）
IL（peak）=1A X5V/3V + ½ X 3V X (5V-3V)/4.7uH/5V/600KHz=1.88A
我们得出电感上最大的电流为1.88A。我们设计一个5V1A的电源，但电感上流过的最大电流会去到差不多2A！我们回过头来看ISL97516规格书开头的特性，有一条是说集成2.0A的MOSFET。这也是2A场效应管，我们只能做到额定1A5V输出的原因。
好了，到这里我们知道了电感的两个参数：电感值4.7uH和最大电流1.88A。我们可以开始选择电感了。下面这个是TDK电感规格书里的，我们来看看。
第一栏PartNo.是物料的编号。第二栏是电感值，我们需要4.7uH的。这样VLC5020T-4R
7N符合我们的要求。接下来，我们看第7栏额定电流，刚才那个电感的额定电流最小的 是2.0A，也符合我们1.88A的要求。这样，我们就可以确定VLC5020T-4R7N符合我们设计的要求。
以上是我们选择电感的步骤，计算有些复杂，不知大家是否能看得懂？如有问题，不妨提出来，大家讨论。
为了加深大家对频率和电感之间的关系，我再给个例子。
前面我们已经计算了ISL9751在600KHz时，电感所需值为4.7uH，2A。
假设有另外一个IC，他的频率只有150KHz，那么我们可以计算出，电感所需值为：16uH，实际取值22uH，电感的峰值电流为1.85A。
IC 的开关频率
| 所取电感值
| 电感允许的最大直流电流
| 电感的尺寸
| 电感的体积
| 600KHz
| 4.7uH
| 2A
| 3.7 X 3.5 X 1.65mm
（以Murata LQH44 系列为例）
| 22立方毫米
| 150KHz
| 22uH
| 2A
| 8 X 8 X 3.8 mm
（以murata LQH88系列为例）
| 243立方毫米
|
从上面这个表，我们可以看到，频率减小4倍，电感的体积需要增大11倍。这也是为什么有些电源用到的电感体积很大，有些又很小的原因。
Lili_11想了解各种类型电感的优缺点，我在这方面的知识也不是很多。只说一下DC-DC变换中两种最常见的，一种是环形电感，另一种是线轴型的。
环形电感，它的磁通辐射最小，绕制比较麻烦，一般在开关频率低，电流大的板子上比较常用。
线轴型电感，可以做的比较小，也可以做出贴片的。有些会在外层加一个磁屏蔽的外壳。一般在开关频率较高的板子上用到。
输出电容的选择
ISL97516规格书里推荐低ESR的多层陶瓷贴片电容。ESR的全称是Equivalent Series Resistance等效串联电阻。理想电容的电阻是为0的，但现实做不到，也就有了这个串联电阻感念，这里不多说了，感兴趣的可以自己找资料看看。
规格书里给出了计算公式：
说明：
ΔVo是输出纹波大小，这里我们要求<50mV，即0.05V
ESR为电容的等效串联电阻值，这里我们用0.002欧姆。后面会给个规格书大家看看
Co为输出电容值
Fsw是开关频率，我们用600kHz
D占空比，我们要选3.0V输入时的，D=0.4
这样输出电容值的计算公式：
Co=Iout X D /Fsw/(ΔVo-Iout XESR)=1A X 0.4 /600KHz/(0.05-1A X 0.002)=13.9uF
这样我们得出，如果纹波要小于50mV，电容的最小值为13.9uF，实际取值时我们要取大一些，选择22uF。
现在我们回头看下ESR的值是怎么来的。不是所有的厂商都会提供这个值。这里我找到村田Murata的电容规格书，1206贴片的，22uF。在频率在600KHz附近，ESR的值大概为0.002欧姆。这也是在上面的计算中我取0.002的依据。
这个是Murata电容的ESR，如果换成三星的，ESR大概是0.006.这样计算出来的电容值是15.1uF，同样实际应用时我们也取22uF。
如果我们不知道电容的ESR，我们可以简化电容的计算公式，在得出值的基础上选用大一级的电容。
简化后的公式：
Cout= Iout X D /Fsw/ΔVo= （Iout XD）/（FswX ΔVo）
ISL97516规格书还提到了，要加多一个0.1uF的电容，用来抑制高频噪声。
好了到这里，我们知道了如何选择输出电容。
肖特基（Schottky）二极管的选择
我们选择肖特基管时，需要注意下面这几个重要的参数:
1, Reverse Break down voltage, 反向击穿电压。肖特基管的这个电压必须高过，我们设计的输出电压。
2， forward current, 正向电流。这个值也需要高过我们刚才计算得出的，电感上的峰值电流1.88A
3， forward voltagedrop,正向压降。这个值则越小越好，越小，肖特基的损耗就越小，电源的整体效率就越高。
我们来看看实际选择的例子，假设我们手上有SS14和SSA24这两种管子，我们应该选哪个？首先要查一下他们的规格书。
SS14的：
我用红色标出了刚才那几个重要的参数，SS14的“Maximum average forward recitified current”正向最大平均电流是1A的，这个值，对于我们5V1A输出的电源来说，小了。之前计算的电感峰值电流会有1.88A。所以SS14不可以用（其他的2个参数都还可以，RMS voltage >5V ok）。
SSA24的,这个电流则符合我们1.88A峰值的要求。当然为了保险起见，你可以选择更大电流的。另外，SSA24的正向压降也比SS14的要小，这样效率会更好一些。
输入电容的选择。
ISL97516的规格书只是粗略的说了，输入电容最少要10uF，推荐用22uF和47uF，另外需加多一个0.1uF的电容，滤除高频噪音。电容是耐压值需要大于输入电压值。
这里就不再讨论详细的计算公式了。你只要遵循规格书上推荐的值就ok了。
环路的补偿（Loop compensation）
规格书上推荐补偿电阻R3取2K 到 7.5K，补偿电容C5取3nF 到10nF。
具体的补偿参数如何计算，这里就不提了。比较复杂，要涉及到自动控制理论的零点和极点问题，要长篇大论才能说的清楚。（我也还没时间完全研究透）
剩下的是其他功能，比如软启动，频率选择等，我就不再啰嗦了。到这里，我们知道了升压电路里关键元件的计算和选择。
帖子里有许多计算公式，看上去都挺复杂的。这里有个简便的方法，就是用Excel的表格，把这些复杂的计算公式放到表格里，以后你只要输入必要的一些参数，就可以自动得出关键元件的计算值了。见下面的图，黄色是需要输入的基本参数，其他的是Excel根据你的公式自动计算出来的。
这里以ISL97516为参考，如果用其他IC，计算也都是差不多的。整个电路也十分的简单，一共12个元件。有兴趣的，不妨动手做一个出来。当然做的时候，要注意布线的合理性，这又是另外一个话题了。
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发表于 2012-6-25 17:41
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