5.2 直流直流转换器常见错误及解决方案2 - 电感饱和与电压跌落

第三个要和大家讨论的

就是关于我们一些

电感电流的问题

那么我们先看下面这张图里面

这是电感电流的波形

那么很明显大家可以看到

电感电流在最初时

呈上升斜率之后

突然在中断的时候

突然就是斜率发生改变

然后出现急剧的上升过程

然后到达最高点时再呈一定的坡度

呈缓慢的下降的过程

那么大家一看就知道

这个电感电流应该是有问题的

因为这跟我们通常

认为的正常电感电流

波形是不太一致的

那么先看下面这个电感电流

正常的波形是什么样子

就是从下面这个图里面看到

我们可以看到

当我们的 BUCK 上管开通的时候

我们的电感电流

它是以一定斜率上升

就是 Ldi/dt这个斜率来上升的

那么当我们的上管关断之后

这个时候就是我们的下管互补导通

这个时候电感电流

它是以另外斜率

就是 Ldi/dt=Vo 这个斜率在下降的

很明显从下面这个波形来看

这个是我们正常的电感电流波形

那么它没有出现上面的波形

往上翘的现象

那么上面这个电感电流波形

明显就是出现了饱和的现象

从我们左边这个

电感电流饱和的波形来看

那么当电感出现饱和的时候

电感电流

会突然以非常大的斜率急剧上升

会导致我们电感电流会很大

那么这样的情况

其实就会导致我们整个电感的

磁性的感量会出现急剧下降

那么这个时候我们电感

可能之前是 2uH 的电感

那么饱和之后可能就

连 1uH 都不到

那么这个时候对于我们系统来说

就是远远超出

我们正常设计的范围

第二个问题就是

这个急剧上升的电感电流

它同样也会流过我们的

BUCK 的上管和下管

那么就很明显的

就在我们的 BUCK 变换器里面

也会流过这么大的峰值电流

所以说一旦出现这种电感电流饱和的情况

首先会把我们的变换器有可能会打坏

因为我们可能变换器就设计为

5A 10A 的

那么有可能如果说这个时候出现饱和

这个峰值电流是不可控的

那么就可能会出现

超过我们变换器所能容许的

范围的电流

那么第二个

即使这种情况下我们变换器不会被打坏

那么有可能也会触发我们芯片内部的

一些 OCP 或者是那个短路保护的

保护功能

来把我们整个系统出现关机

所以说这样子

就会导致了我们整个系统

不能输出我们所需要的额定电流

这个时候一种解决方案

我们可以考虑

用一些能够实现一种软饱和的磁材

软饱和的磁材跟铁氧体磁材

有些不同的地方

当电感电流达到它的饱和电流点之后

它的电感量

也不会出现急剧下降

而是呈逐渐缓慢下降的过程

那这个时候就意味着

我们在电感上的电流

也不出现非常急剧的上升

这样子对于保护我们整个电路

是非常有帮助的

关于输出电感

我们有另外一个问题

我们有另外一个问题

也可以跟大家讨论一下

大家可以看这里是

热成像的测试图

这个时候我们电路

只带了 10% 的负载

但是我们从热成像图里面

就可以看到

我们这个电感的温度会非常高

这个时候最高温度

有可能是达到 53.8 度

但是从这个时候

由工作条件来看

因为负载电流只有10% 的负载

然后我们 IC 也不是很烫

偏偏就是这个电感非常烫

那这个会是什么原因

很明显这个热损耗

都是在电感里面发生的

其实我们这个电感

它的感量

是 240nH 的感量

那么按着我们这个设计参数

就有可能会超过 100% 的纹波值

我们看右边

这时候给了另外测试图

这里同样也是相同的负载条件

也是同样的输入条件

那么这个时候电感的温度就非常低

从这个图里面我们可以看到

电感温度也就可能就是 30 度左右

那么很明显

这个时候电感就没有再严重发烫了

那么这两个设计的最大的区别

这里电感我们选择的是

1uH 的感值

也就是基于我们的输入输出参数

那么这个时候

大约是 30% 的 ΔI 的

纹波电流值

对于电感的损耗

我们可以把它看成铜损和铁损

这个时候

负载电流大概只有 10% 的满载

我们可以认为这时候铜损占比是非常小的

也就是我们主要分析铁损的情况

那么铁损主要就是

我们这个磁芯的磁芯损耗

那么我们可以看

磁芯损耗的计算公式

在我们这个图里面也已经列出来了

从这个公式来看

电感的磁芯损耗

是跟我们电感磁芯的磁通密度

是成平方关系的

那么相应的我们磁通密度

实际上是跟流过我们电感电流的

ΔI 实际上是成正比例关系的

也就是说

我们要评估

我们的电感的磁芯损耗

实际上它最主要

就是由 ΔI 来做决定的

ΔI 越大

那么就意味着我们电感的

coil loss 会越大

那么问题来了

就是在做 BUCK 电路设计的时候

电感应该怎么样做选择

我们这里做了对比的实验

我们拿了三颗电感

它们有相同的尺寸

都是由同一个供应商提供

都是由同一个供应商提供

但是它们感量不一样

那么分别是 0.68uH 1.5uH 跟 2.2uH

三个电感都会放在同一个电路里面做测试

那么就意味着

它们会代表不同的电流纹波的值

那么我们可以看到

越高的电感量

就更加容易达到更高的峰值效率

因为感量越大

就意味着流过电感的 ΔI 越小

那么这个时候

电感的磁芯损耗会越小

特别是在我们负载电流比较小的情况下

这个时候

是由我们的磁芯损耗

做到效率会更高一些

同样如果说感量越小

那么就意味着它的 ΔI 会越大

但是它同样也带来效应

感量小的话

那么就意味着

我们电感里面的绕组的匝数小

也随着我们电感电流的增加

那么在电流比较大的一些场合

这个时候就由我们的导通损耗作为主导

这个时候感量越小的电感

就能够实现更高的效率

这个我们在左边那个图里面

也可以明显的看出来

所以说最终总结一下

我们在选择电感的基本规则

我们在做设计的时候

尽量要让我们流过电感的

ΔI 控制在我们 15% 到 40% 之间的

额定电流之间

然后来做电感的容量的选择

第四个问题

我们要讲的是输出电压的震荡

下面的这个图里面是 10V 输入

1.2V 输出 8A 的负载的动态跳变

我们可以看到这个输出电压跳变的时候

输出电压首先跌落之后

然后很快的恢复过来

但是在恢复之后

有非常低频的抖动

在我们输出电压的纹波上

那么在想这个时候

会不会是我们环路不稳

导致的输出电压的抖动

这个时候我们可以去查一查环路

那么有可能环路也没有问题

那么这个时候是什么原因导致

我们这个时候

可以把我们的输入电压的波形

也一起抓到我们的示波器里面来看

我们可以看到

当这个输出电压发生跌落的时候

我们可以看到输入电压

实际上也发生了很大的跌落

从这个波形里面可以看到

输入电压跌幅至少有 0.5V 以上

对应于后面输出电压振荡频率

我们可以看到输入电压的振荡频率刚好

跟它是完全匹配的

那么很明显

我们可以看到输出电压的这个波动

明显是因为我们输入电压波动来导致的

我们这个时候如果做一些改进

因为我们要确保我们的输入电压

不会有这么大波动

我们左边

依然是跟我们之前做的实验

输入电压有个很明显的 0.5V 的电压跌落

来导致输入电压有个低频的波动

那么这个时候

我们如果是在输入端加足够大的去耦电容

我们可以看到当输出发生跌落的时候

输入端基本上就可能是只有 0.1V 的波动

然后很快就能够恢复过来

这个时候我们就再看输出电压的波形

这个时候我们就再看输出电压的波形

很明显这个低频的抖动就消失了

那么这个时候我们就要记住

当我们看到输出电压抖动的时候

并不一定输出的环路补偿不稳

而有可能是因为我们的输入电压

耦合过来的一些低频的噪声而导致的

那么右边这个就是我们处理方法

就是加了去耦电容

然后把我们的输入电压

稳在比较小的范围之内

同样的如果是输出电压有很大的

动态跳变的时候

如果这个时候我们

把之前的测试条件由 10V 降到 9V 的输入

也就是我们输入电压会更低一些

那么这个时候

我们做同样大电流的动态跳变的时候

会发现我们输出电压的响应波形

跟我们之前 10V 输入的时候

响应波形明显不一样了

那么我们可以看到在 9V 输入的时候

这个动态响应波形有非常大的跌落

有大于 1V 的跌坑

然后恢复时间也是有几百个微秒

才能够恢复过来

那么这个时候我们就要捡查

是不是依然由输入导致的异常现象

我们可以看到我们这个芯片

它实际上是接了一个输入的分压网络

到我们芯片的使能脚

也就是我们芯片实际上

会有个欠压保护的点

当芯片检测到输入电压低于

这个欠压保护点的门限值之后

芯片可能就会进入关机状态

而直到我们输入电压

恢复到这个门限值以上再重新开机

那如果这个时候我们依然

跟前面的处理方法一样

同样加一个很大的去耦电容

在我们输入端来

保证我们的输入电压不会

大幅跌落到我们的输入欠压点之下

那么我们可以看到

就是同样的 9V 输入的情况下

那么这个时候输出电压依然是

保持跟之前的测试效果

是区别不大的情况

所以说这又引出新的问题

输入跟输出电容我们要如何选择

首先第一个原则

我们要必须要确保有足够的去耦电容

在输入和输出端

就是要确保我们的变换器

在所有的工作条件下

都不会在我们的输入和输出端

出现巨大的电压波动的情况

第二点需要注意的地方就是

我们现在的 BUCK 变换器

我们现在的 BUCK 变换器

一般都是用一些比较低 ESR 的

比如说瓷片电容或者是固态电容

来做输出滤波电容

那么我们如果是在做电源设计的时候

迫于成本的压力

而选择了一些成本比较低的

但是有可能 ESR 会很高的

铝电解电容的话

那有可能会导致我们整个的系统

会出现不稳定的情况

大家可以看到我们右边

这是 BUCK 电路开环传递函数的测试图

那如果说我们这条黑线

是我们用一些低 ESR 的瓷片电容

测出来整个环路的增益和曲线图

那么从测试结果来看

我们还路的增益跟相位

也都是能够满足系统设计的要求

那么我们这时候如果选用一颗

ESR 很大的电容来作为输出电容的话

那么这个时候就意味着

由这个大的 ESR 的输出电容

它会本身会形成零点

那么因为 ESR 很大

那么会导致这个零点

相对于我们之前的

低 ESR 的时候会出现大幅度的往前移

那么我们可以看到就说

这两条红线对于增益来说

零点前移的情况会导致我们的增益

在我们的截止频率点

出现一个大幅的上抬

从而使我们的截止频率大幅的上升

那么截止频率大幅上升之后

就会导致我们在增益过零这个点

可能会出现相位不足的情况

因为我们这个时候截止频率

可能已经升到比较高的范围

比如说在我们测试结果里面是

由五六十 k 可能会升到几百 k 的范围

那么我们这个时候

相位裕量可能就只有 30 度了

这个时候系统就非常容易不稳定

使用这种大 ESR 的铝电解输入电容

另外一个坏处是它在低温的时候

ESR 会急剧增大

也就是这个时候就等效于电容

串了非常大的电阻

那么这个时候我们这个电容在低温的时候

也就可以认为

它基本上就没有什么滤波的作用了

第三个选择输入电容的原则

我们要按照

我们在这个应用里面

所能够出现的最大的负载跳变的步进

然后来计算出它有可能造成最大过冲

要确保我们这个最大的过冲

不会超过我们系统所允许的

最大的 max 的电压值

然后来选择我们最小的输出电容

第四个选择电容的标准

就是我们要确保我们的输入输出电容上

它本身的流过电流的有效值

要低于这个电容本身它的额定值

来确保我们电容

不会因为流过很大的 RMS 值

出现过热或者损坏的情况

第三个要和大家讨论的

就是关于我们一些

电感电流的问题

那么我们先看下面这张图里面

这是电感电流的波形

那么很明显大家可以看到

电感电流在最初时

呈上升斜率之后

突然在中断的时候

突然就是斜率发生改变

然后出现急剧的上升过程

然后到达最高点时再呈一定的坡度

呈缓慢的下降的过程

那么大家一看就知道

这个电感电流应该是有问题的

因为这跟我们通常

认为的正常电感电流

波形是不太一致的

那么先看下面这个电感电流

正常的波形是什么样子

就是从下面这个图里面看到

我们可以看到

当我们的 BUCK 上管开通的时候

我们的电感电流

它是以一定斜率上升

就是 Ldi/dt这个斜率来上升的

那么当我们的上管关断之后

这个时候就是我们的下管互补导通

这个时候电感电流

它是以另外斜率

就是 Ldi/dt=Vo 这个斜率在下降的

很明显从下面这个波形来看

这个是我们正常的电感电流波形

那么它没有出现上面的波形

往上翘的现象

那么上面这个电感电流波形

明显就是出现了饱和的现象

从我们左边这个

电感电流饱和的波形来看

那么当电感出现饱和的时候

电感电流

会突然以非常大的斜率急剧上升

会导致我们电感电流会很大

那么这样的情况

其实就会导致我们整个电感的

磁性的感量会出现急剧下降

那么这个时候我们电感

可能之前是 2uH 的电感

那么饱和之后可能就

连 1uH 都不到

那么这个时候对于我们系统来说

就是远远超出

我们正常设计的范围

第二个问题就是

这个急剧上升的电感电流

它同样也会流过我们的

BUCK 的上管和下管

那么就很明显的

就在我们的 BUCK 变换器里面

也会流过这么大的峰值电流

所以说一旦出现这种电感电流饱和的情况

首先会把我们的变换器有可能会打坏

因为我们可能变换器就设计为

5A 10A 的

那么有可能如果说这个时候出现饱和

这个峰值电流是不可控的

那么就可能会出现

超过我们变换器所能容许的

范围的电流

那么第二个

即使这种情况下我们变换器不会被打坏

那么有可能也会触发我们芯片内部的

一些 OCP 或者是那个短路保护的

保护功能

来把我们整个系统出现关机

所以说这样子

就会导致了我们整个系统

不能输出我们所需要的额定电流

这个时候一种解决方案

我们可以考虑

用一些能够实现一种软饱和的磁材

软饱和的磁材跟铁氧体磁材

有些不同的地方

当电感电流达到它的饱和电流点之后

它的电感量

也不会出现急剧下降

而是呈逐渐缓慢下降的过程

那这个时候就意味着

我们在电感上的电流

也不出现非常急剧的上升

这样子对于保护我们整个电路

是非常有帮助的

关于输出电感

我们有另外一个问题

我们有另外一个问题

也可以跟大家讨论一下

大家可以看这里是

热成像的测试图

这个时候我们电路

只带了 10% 的负载

但是我们从热成像图里面

就可以看到

我们这个电感的温度会非常高

这个时候最高温度

有可能是达到 53.8 度

但是从这个时候

由工作条件来看

因为负载电流只有10% 的负载

然后我们 IC 也不是很烫

偏偏就是这个电感非常烫

那这个会是什么原因

很明显这个热损耗

都是在电感里面发生的

其实我们这个电感

它的感量

是 240nH 的感量

那么按着我们这个设计参数

就有可能会超过 100% 的纹波值

我们看右边

这时候给了另外测试图

这里同样也是相同的负载条件

也是同样的输入条件

那么这个时候电感的温度就非常低

从这个图里面我们可以看到

电感温度也就可能就是 30 度左右

那么很明显

这个时候电感就没有再严重发烫了

那么这两个设计的最大的区别

这里电感我们选择的是

1uH 的感值

也就是基于我们的输入输出参数

那么这个时候

大约是 30% 的 ΔI 的

纹波电流值

对于电感的损耗

我们可以把它看成铜损和铁损

这个时候

负载电流大概只有 10% 的满载

我们可以认为这时候铜损占比是非常小的

也就是我们主要分析铁损的情况

那么铁损主要就是

我们这个磁芯的磁芯损耗

那么我们可以看

磁芯损耗的计算公式

在我们这个图里面也已经列出来了

从这个公式来看

电感的磁芯损耗

是跟我们电感磁芯的磁通密度

是成平方关系的

那么相应的我们磁通密度

实际上是跟流过我们电感电流的

ΔI 实际上是成正比例关系的

也就是说

我们要评估

我们的电感的磁芯损耗

实际上它最主要

就是由 ΔI 来做决定的

ΔI 越大

那么就意味着我们电感的

coil loss 会越大

那么问题来了

就是在做 BUCK 电路设计的时候

电感应该怎么样做选择

我们这里做了对比的实验

我们拿了三颗电感

它们有相同的尺寸

都是由同一个供应商提供

都是由同一个供应商提供

但是它们感量不一样

那么分别是 0.68uH 1.5uH 跟 2.2uH

三个电感都会放在同一个电路里面做测试

那么就意味着

它们会代表不同的电流纹波的值

那么我们可以看到

越高的电感量

就更加容易达到更高的峰值效率

因为感量越大

就意味着流过电感的 ΔI 越小

那么这个时候

电感的磁芯损耗会越小

特别是在我们负载电流比较小的情况下

这个时候

是由我们的磁芯损耗

做到效率会更高一些

同样如果说感量越小

那么就意味着它的 ΔI 会越大

但是它同样也带来效应

感量小的话

那么就意味着

我们电感里面的绕组的匝数小

也随着我们电感电流的增加

那么在电流比较大的一些场合

这个时候就由我们的导通损耗作为主导

这个时候感量越小的电感

就能够实现更高的效率

这个我们在左边那个图里面

也可以明显的看出来

所以说最终总结一下

我们在选择电感的基本规则

我们在做设计的时候

尽量要让我们流过电感的

ΔI 控制在我们 15% 到 40% 之间的

额定电流之间

然后来做电感的容量的选择

第四个问题

我们要讲的是输出电压的震荡

下面的这个图里面是 10V 输入

1.2V 输出 8A 的负载的动态跳变

我们可以看到这个输出电压跳变的时候

输出电压首先跌落之后

然后很快的恢复过来

但是在恢复之后

有非常低频的抖动

在我们输出电压的纹波上

那么在想这个时候

会不会是我们环路不稳

导致的输出电压的抖动

这个时候我们可以去查一查环路

那么有可能环路也没有问题

那么这个时候是什么原因导致

我们这个时候

可以把我们的输入电压的波形

也一起抓到我们的示波器里面来看

我们可以看到

当这个输出电压发生跌落的时候

我们可以看到输入电压

实际上也发生了很大的跌落

从这个波形里面可以看到

输入电压跌幅至少有 0.5V 以上

对应于后面输出电压振荡频率

我们可以看到输入电压的振荡频率刚好

跟它是完全匹配的

那么很明显

我们可以看到输出电压的这个波动

明显是因为我们输入电压波动来导致的

我们这个时候如果做一些改进

因为我们要确保我们的输入电压

不会有这么大波动

我们左边

依然是跟我们之前做的实验

输入电压有个很明显的 0.5V 的电压跌落

来导致输入电压有个低频的波动

那么这个时候

我们如果是在输入端加足够大的去耦电容

我们可以看到当输出发生跌落的时候

输入端基本上就可能是只有 0.1V 的波动

然后很快就能够恢复过来

这个时候我们就再看输出电压的波形

这个时候我们就再看输出电压的波形

很明显这个低频的抖动就消失了

那么这个时候我们就要记住

当我们看到输出电压抖动的时候

并不一定输出的环路补偿不稳

而有可能是因为我们的输入电压

耦合过来的一些低频的噪声而导致的

那么右边这个就是我们处理方法

就是加了去耦电容

然后把我们的输入电压

稳在比较小的范围之内

同样的如果是输出电压有很大的

动态跳变的时候

如果这个时候我们

把之前的测试条件由 10V 降到 9V 的输入

也就是我们输入电压会更低一些

那么这个时候

我们做同样大电流的动态跳变的时候

会发现我们输出电压的响应波形

跟我们之前 10V 输入的时候

响应波形明显不一样了

那么我们可以看到在 9V 输入的时候

这个动态响应波形有非常大的跌落

有大于 1V 的跌坑

然后恢复时间也是有几百个微秒

才能够恢复过来

那么这个时候我们就要捡查

是不是依然由输入导致的异常现象

我们可以看到我们这个芯片

它实际上是接了一个输入的分压网络

到我们芯片的使能脚

也就是我们芯片实际上

会有个欠压保护的点

当芯片检测到输入电压低于

这个欠压保护点的门限值之后

芯片可能就会进入关机状态

而直到我们输入电压

恢复到这个门限值以上再重新开机

那如果这个时候我们依然

跟前面的处理方法一样

同样加一个很大的去耦电容

在我们输入端来

保证我们的输入电压不会

大幅跌落到我们的输入欠压点之下

那么我们可以看到

就是同样的 9V 输入的情况下

那么这个时候输出电压依然是

保持跟之前的测试效果

是区别不大的情况

所以说这又引出新的问题

输入跟输出电容我们要如何选择

首先第一个原则

我们要必须要确保有足够的去耦电容

在输入和输出端

就是要确保我们的变换器

在所有的工作条件下

都不会在我们的输入和输出端

出现巨大的电压波动的情况

第二点需要注意的地方就是

我们现在的 BUCK 变换器

我们现在的 BUCK 变换器

一般都是用一些比较低 ESR 的

比如说瓷片电容或者是固态电容

来做输出滤波电容

那么我们如果是在做电源设计的时候

迫于成本的压力

而选择了一些成本比较低的

但是有可能 ESR 会很高的

铝电解电容的话

那有可能会导致我们整个的系统

会出现不稳定的情况

大家可以看到我们右边

这是 BUCK 电路开环传递函数的测试图

那如果说我们这条黑线

是我们用一些低 ESR 的瓷片电容

测出来整个环路的增益和曲线图

那么从测试结果来看

我们还路的增益跟相位

也都是能够满足系统设计的要求

那么我们这时候如果选用一颗

ESR 很大的电容来作为输出电容的话

那么这个时候就意味着

由这个大的 ESR 的输出电容

它会本身会形成零点

那么因为 ESR 很大

那么会导致这个零点

相对于我们之前的

低 ESR 的时候会出现大幅度的往前移

那么我们可以看到就说

这两条红线对于增益来说

零点前移的情况会导致我们的增益

在我们的截止频率点

出现一个大幅的上抬

从而使我们的截止频率大幅的上升

那么截止频率大幅上升之后

就会导致我们在增益过零这个点

可能会出现相位不足的情况

因为我们这个时候截止频率

可能已经升到比较高的范围

比如说在我们测试结果里面是

由五六十 k 可能会升到几百 k 的范围

那么我们这个时候

相位裕量可能就只有 30 度了

这个时候系统就非常容易不稳定

使用这种大 ESR 的铝电解输入电容

另外一个坏处是它在低温的时候

ESR 会急剧增大

也就是这个时候就等效于电容

串了非常大的电阻

那么这个时候我们这个电容在低温的时候

也就可以认为

它基本上就没有什么滤波的作用了

第三个选择输入电容的原则

我们要按照

我们在这个应用里面

所能够出现的最大的负载跳变的步进

然后来计算出它有可能造成最大过冲

要确保我们这个最大的过冲

不会超过我们系统所允许的

最大的 max 的电压值

然后来选择我们最小的输出电容

第四个选择电容的标准

就是我们要确保我们的输入输出电容上

它本身的流过电流的有效值

要低于这个电容本身它的额定值

来确保我们电容

不会因为流过很大的 RMS 值

出现过热或者损坏的情况