如何為航太級開關穩壓器選擇被動元件

作者 : Rajan Bedi,Spacechip執行長兼創辦人

全整合型航太級降壓穩壓器可提供更小的總外形尺寸,更易於獲得設計選用,同時必須添加外部磁性和被動元件,從而使設計人員更能控制電流紋波水平,從而控制傳遞到負載的電壓變化...

隨著太空船等航空電子設備中越來越多地使用低電壓、大電流負載(例如FPGA),工程師越來越需要設計開關式穩壓器來產生電源軌。我曾經在‘Switch-mode regulators for space applications’一文中描述如何利用降壓拓撲實現DC-DC轉換,以及從供應商處選擇航太級元件時所要考慮的標準。大多數合格元件都整合了開關和低側場效電晶體(FET),但還需要一個外部電感器以及輸入和輸出電容器。這些被動元件的選擇非常重要,因為它們決定了轉換的品質,即輸入和輸出紋波、負載穩壓,以及對單粒子效應(SEE)的響應。

電源設計就其本質而言充滿了權衡和折衷,例如成本、尺寸、性能以及可靠性。然而,在最佳化和減少儲能被動元件的尺寸和質量方面也還有餘地。

開關式DC-DC轉換透過控制開關狀態的工作週期,基於流入和流出DC-DC的能量來調節輸出電壓。當開關導通時,能量從輸入源流入轉換器,在降壓的情況下,其中一些能量作為磁能(0.5×LI2)儲存在電感器中,而另一些則直接傳遞到輸出(正向拓撲)。同樣地,在關斷期間,能量從轉換器傳送到負載。對於降壓轉換器,這個能量來自電感器,也就是之前在FET導通時儲存在電感器中的能量。

在導通期間添加到電感器的能量,始終等於開關關閉時提供給負載的能量,即電感器在每個週期結束時的電流和能量都與開始時完全相同,這也就是穩態的定義!

diagram of switching cycle for a buck regulator

1:這張圖顯示了降壓穩壓器的開關週期。

例如,假設開關頻率為500kHz,輸入為+5.5V,負載電壓為+0.95V,負載電流為18A,轉換效率為90%,那麼由此產生的輸入和輸出功率則分別為19W和17.1W。每個開關週期汲取的來源端能量為38µJ,FET關閉時的能量輸出為34.2µJ。根據規定,在500kHz的頻率下,穩壓器處理的總能量為17.1J/s,即17.1W。

當向電感器添加能量時,透過它的電流會呈線性上升。當排除能量時,電流呈斜坡下降,從而導致觀察到交流(AC)電流紋波。與之類似,當向電容器添加能量時,其兩端的電壓會呈線性上升。當排除能量時,電壓會下降,從而導致觀察到AC電壓紋波。開關動作會不斷地增加和排除能量,從而導致電感器有電流紋波通過,以及電容器有電壓紋波通過。對於這兩種情況,在相對於其直流(DC)電平的最大容許AC變化量方面都有相應準則。

對於降壓穩壓器,電感器在FET開關導通時將輸入能量儲存在其磁場中,然後在高側電晶體關閉時將其傳遞給負載。電感值的選擇基於要傳送到負載的電流紋波水平,這由幾何比r確定:

equation to calculate current ripple to the load

其中,Iload是平均電感電流,ΔIload是電流擺幅,Iac和Idc分别是電感電流的AC和DC值。因此,與r相關的電感(單位:H)可以透過下式計算:

equation to calculate inductance related to r

其中,fsw是開關頻率(單位:Hz)。

例如,要在18A時產生+0.95V電源軌,1列出了以安培為單位和以Iload百分比表示的絕對峰對峰值電感器電流紋波,以及所得電感隨r的變化情況。

table of inductor ripple and inductance

1感器波和感值的算。

電感值與負載電流和開關頻率成反比,而其實體尺寸和質量與Iload成正比。

全整合型航太級降壓穩壓器可提供更小的總外形尺寸,更易於獲得設計選用,同時必須添加外部磁性和被動元件,從而使設計人員更能控制電流紋波水平,從而控制傳遞到負載的電壓變化。

photo of two space-grade switching regulators

2:全整合整合型太級開關穩壓器比較。

大電感可以產生較小的電流紋波,從而降低負載中的電壓波動。較大的電感,由於其反對電流變化的自然傾向,可減慢穩壓器的瞬態響應,但是由於其較大的固有DC電阻(DCR)而又會增加功率損耗。較小的電感可提高穩壓速度,但是會增加輸出紋波的大小以及驅使電感器飽和的風險。重要的是不超過電感器的均方根值(RMS)電流和飽和電流額定值,後者要大於所計算的峰值。磁體的實體尺寸必須與其能量處理能力相匹配,並且需要更大的磁芯來處理更大的功率。同時還要檢查電感的容差,某些供應商的電感容差可能高達30%,從而導致大於所期望的紋波電流。

電感器電流紋波表現為輸出電壓的變化,輸出電容的功能之一是減少負載側所看到的紋波量。電容器等效串聯電阻(ESR)和等效串聯電感(ESL)是決定與電感器電流相關的輸出電壓紋波的重要參數。

電容器會自然地抵抗AC電壓的變化,一旦充電,其就有保持電壓的趨勢,特別是在DC電壓上有紋波的情況下。如果電容器的大小合適,那麼其就會由於變化太慢而無法跟上由紋波引起的電壓波動,因此它們就會受到濾除。

當FET關閉時,輸入就會與輸出斷開,但是,負載將始終需要持續的能量流動。在此期間,輸出電容還必須儲存足夠的電荷以向負載提供輸出:當開關關閉時,電感電流會在為負載供電的同時不斷降低,輸出電容會對這一電流變化進行緩衝,從而使負載看到的電壓幾乎保持恆定。

輸出電容還決定了穩壓器如何響應負載電流的較大變化。在DC-DC轉換器不能為負載供電時,必須要適當調整其大小,直到DC-DC轉換器的反饋控制迴路能夠響應為止。以下公式指定了實現此目的所需的最小輸出電容:

equation to calculate minimum output capacitance

用以下等式則可計算滿足目標輸出電壓紋波要求的最小輸出電容:

equation to calculate mimimum output capacitance for output voltage ripple requirements

由電感器和輸出電容形成的LC濾波器可以去除開關波形中的AC分量,從而輸出平均(DC)電壓。對於降壓穩壓器,輸出電容會受到以負載電壓為中心的紋波反覆充電和放電。1中的Ico跡線代表了流入輸出電容的連續電流。

通常會將多種不同的電容器並聯使用,據此最大限度地減少ESR和ESL對輸出紋波和均流的影響,從而確保可靠運行。元件的選擇是根據其額定紋波電流、工作電壓和寄生參數進行的。

3繪製了由ESR、ESL和電容產生的紋波電壓影響。ESR的影響是電阻×電流;電容分量是電流和時間的積分,也就會產生三角波;而ESL分量可以表示為導數,在每個開關瞬間會出現瞬時尖峰,也就會產生類似高頻脈衝的雜訊。電容器兩端的總電壓波動包括這三個分量的總和:

equation to calculate total voltage fluctuation

在輸出端看到的峰對峰值電壓紋波與電容和開關頻率成反比,但是與負載電流、ESR和ESL成正比。

operation analysis diagram shows the impact of ESR, ESL, and capacitance on ripple voltage

圖3:這一操作分析顯示了ESR、ESL和電容對紋波電壓的影響。

4比較了採用鉭電容器和多層陶瓷電容器(MLCC)所測得的紋波電壓。MLCC的固有ESR較低,增加電容量可進一步降低紋波。

graphs show the impact of capacitor type and capacitance on ripple voltage

4:這些圖表顯示了電容器類型和電容對紋波電壓的影響。

輸入電容會將DC-DC轉換器開關處的來源端紋波電壓降低到大容量電容器可處理的水平,而不至於影響後者的ESR耗散。對於降壓穩壓器,當FET導通時,其輸入電流的AC部份由電容提供。當高側開關關閉時,輸入電容會重新充電,1中的Ic(IN)跡線代表其具有高di/dt值和高峰對峰值振幅的不連續梯形波形。來源端無法產生如此快速變化的脈動電流。

大容量輸入電容用於盡可能降低電源電壓偏差,以確保在負載瞬變期間獲得穩定輸出。電容越高,擾動越低,這與負載電流的變化成正比。

確定輸入電容大小的一個好的起點是指定峰對峰值電壓紋波的目標水平,後者與電容和開關頻率成反比,但與負載電流和ESR成正比:

equation to calculate peak-to-peak voltage ripple

對於降壓穩壓器,輸入電容器的RMS電流遠大於輸出電容器的RMS電流,前者由其應力要求所決定,而在輸出端,它只是決定電容值的最大容許負載紋波。電容器的最大容許RMS電流可以根據其最大功耗計算得出,後者可以根據其外殼尺寸、ESR和容許溫度提升進行推導。

通常會將多種不同的電容器並聯使用,據此最大限度地減少對輸入紋波以及均流的ESR和ESL影響,從而確保可靠運行。元件的選擇是根據額定紋波電流、工作電壓、自發熱、ESR和ESL選擇的,並且會使用多層陶瓷電容器,因為其寄生效應較低。因此,所觀察到的紋波幾乎完全是由實際電容所引起的,必須注意熱量和DC偏置對電容器值的影響。通常會使用對溫度不太敏感的電介質來盡可能減小電容變化。溫度越高,可靠性(包括壽命)越低。

設計降壓穩壓器時有許多權衡:較高的開關頻率可降低輸入和輸出電容器中的紋波電壓水平,並減少DC-DC轉換器所需的電容量。然而,減少後者會增加電壓紋波的振幅,而且以更快的速率開關可能增加AC損耗,從而影響效率。還有其他最佳化的機會,例如,針對特定的電壓紋波目標,只要增加開關頻率就可以使用較小的儲能元件,從而能夠降低電容。

較小的電感具有較低的DCR,如此可以改善瞬態響應,並且對於特定的瞬態性能,所需的輸出電容較小。較大的電感可以獲得較低的紋波電流,因此等效輸出紋波所需的電容較小。

如果超過了電感的飽和電流,其電感將會下降,從而使紋波電流增加:電感下降30%會使紋波電流增加>40%,並使磁芯飽和。屏蔽電感器可降低EMI和潛在干擾,但由於製造成本增加,因此價格略高。屏蔽往往會降低飽和電流,從而降低最大冗餘RMS電流。Lsat也會隨溫度變化!

(參考原文:How to choose passives for space-grade switching regulators,by Rajan Bedi)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年8月號雜誌

 IGBT和MOSFET功率模組NTC溫度控制

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