DC/DC转换器IC外围器件的选用方法

外围器件的选用

在此说明关于如何选用DC/DC转换器IC外围器件。因外围器件对DC/DC转换器的各个特性具有极大影响,必须特别注意。

外围器件的产品型号请参考数据目录中的标准电路使用范例

表1中说明了由外围器件所决定的对 DC/DC转换器特性的影响。

表1 :选用与特性相对应的外围器件
  COIL CL * SD * EXTERNAL TR. EXTERNAL TR.(BIPOLAR)
L DCR (POWER MOSFET) RB CB
For heigher current Small Small Large Small VF (Low ON resistance) Small Large
For higher efficiency Light load Large Small - Small IR - Large Small
Heavy load Large Small - Small VF (Low ON resistance) Small Large
For low ripple output voltage Large - Large - - - -
For better transient resonse Small - Large - - - -

备注) 使用功率MOSFET作为外置晶体管时,不需要RB, CB
关于各个外围器件的详细内容,请参考以下记述。

线圈

请参考表2,选择与振荡频率和输出电流(负载)相对应的电感值。因为振荡频率越高,越可选择电感小的线圈,可以使线圈形状小。
请尽可能选择DCR(直流电阻)低的线圈。逐渐降低L值,峰值电流(Ipeak)将增大,到达一定的L值时,形成最大输出电流。此外,逐渐增大L值可降低由峰值电流引起的开关晶体管的损害,到达一定数值时效率为最大。
再逐渐增加L值时,由线圈的直流电阻(DCR)引起的损耗将增大,使得效率恶化。

在选用线圈时,请注意额定(容许)电流。当输入电流超过额定(容许)电流之后、线圈将发热,引起磁饱和现象,效率将显著恶化。此外,大电流会引起IC的损坏,请注意在峰值电流不超过额定电流的范围内选用。

表2 电感值的选定标准
50kHz 100kHz 180kHz 300kHz 500kHz
小负载330μH220μH100μH47μH22μH
中负载220μH100μH47μH22μH10μH
大负载100μH47μH22μH10μH6.8μH

以XC6367A、XC6368A为例,使用同样形状的线圈,对不同振荡频率下的效率进行了比较。得出的结果如下图所示。

XC6367A Series, VOUT=5V, Vin=3.3V

Tr.=XP161A1355PR, SD=MA2Q737, Coil=CR54, Cin=220μF, CL=47μF

XC6368A Series, VOUT=5V, Vin=3.3V

Tr.=XP161A1355PR, SD=MA2Q737, Coil=CR54, Cin=220μF, CL=47μF

非连续模式时,按以下公式计算线圈的峰值电流ILpeak。请使用额定电流值大于线圈峰值电流的线圈。
并且,以下的公式是按没有损耗的理想状态条件下计算的,实际应用时将比计算值大。

ILpeak2=2(Vout-Vin) x Iout ÷(L x fOSC)
Ex.) Vin=3V, Vout=5V, Iout=10mA, fOSC =100kHz, L=100μH
ILpeak=SQRT(2 x (5-3) x 0.01/(100000 x 0.0001)) ≒63mA

二极管

  1. 请使用正向压降VF小的二极管。可以抑制因正向压降的电压降低而引起的损耗、提高效率。此外,还可以降低升压电路的起始工作电压。请选择在线圈峰值电流的状态下,VF<0.6V的二极管。
  2. 请使用结电容较小的二极管。当结电容较大时,开关速度降低。当二极管导通或关闭时会发生尖峰噪声增大的现象。此外,开关速度降低时,开关时的损耗增大。
  3. 请选择反向漏电流IR小的二极管。IR大的状态下,小负载时的效率降低,并引起尖峰噪声增大等恶劣影响。特别是高温时 IR 将增大,需特别注意。基本上,大电流(低VF)型二极管都具有IR增大的倾向。
  4. 用于升压DC/DC转换器时,在输入电压下限值(用于降压DC/DC转换器时为输入电压的上限值)的条件下,请选用额定电流为线圈峰值电流2~3倍以上的二极管。特别是PFM调制时,峰值电流增大,请特别注意。
  5. 用于升压DC/DC转换器时,请选择额定电压为输出电压(降压DC/DC转换器的情况下为输入电压)1.5倍以上的二极管。请在实际使用时确认端子之间的电压确实不超过额定电压。

负载电容 (CL)

  1. 使用对应于等效串联电阻(ESR)低的陶瓷电容为负载电容时,需对其温度特性特别注意。 除B特性产品以外,由于周围温度及DC偏置电压特性等都将引起显著的容量降低,出现IC不能正常工作的现象。此外,虽然钽电容、OS-CON、铝电解电容,也可以作为与低ESR对应的产品使用。但请在充分确认了工作状况之后使用。
  2. 如选用钽电容为负载电容的相应产品,请使用最低10μpF以上的电容。使用于输出电流为100mA以上的用途时,请连接负载电容值在100μF以上的钽电容。请选择等效串联电阻(ESR)值在0.1Ω~0.5Ω之间的负载电容。把低ESR的电容 (OS-CON等)作为负载电容使用时,由于产品不同,也许不能完全地进行IC的相位补偿,产生异常振荡的现象。请注意基本上不应使用陶瓷电容。此外,与钽电容对应的产品时,虽然也可使用OS-CON、铝电解电容,请在充分确认工作状态之后使用。
  3. 在使用铝电解电容为负载电容时,请注意低温时容量降低及ESR的上升,选择标准电2~3倍以上的负载电容。请与10μF以上的钽电容或大致为0.1μF~1μF的陶瓷电容并联使用。在使用铝电解电容时,请注意额定纹波电流。当纹波电流过大时,引起发热会导致使用寿命缩短。
    (请在输出纹波电压为50mV以下的范围内选用。)

输入电容(CIN)

  1. 作为降压DC/DC转换器,输入电容是作为消除电源纹波的电容,连接时应尽可能靠近IC。
  2. 作为升压DC/DC转换器,为了降低输入电源的阻抗成分的影响,请与Cin连接。与负载电容不同,不需考虑Cin的电容种类不同,尽可能选择ESR值较低的电容。

外置晶体管

用于输入电压在1.2V以下的用途,因为会出现得不到使功率MOSFET处于导通时的栅极电压状态,请使用双极性晶体管。当用于输出电流大的用途,请使用导通电阻小的功率MOSFET。
使用大电流型的双极性晶体管时,一般情况下,电流增幅率 hFE小,将导致基极电流增大,比MOSFET的效率恶化。

功率MOSFET

  1. 请使用输入电容Ciss ,及输出电容Coss 小的产品。请使用电容值在1000pF以下的功率MOSFET。
  2. 请使用开关速度快(导通时的延迟时间td(on)短、tr的上升时间短、关闭的延迟td(off)短)的产品。随着开关速度加快,电路的效率也升高。
  3. 请使用栅极、源极之间的关闭电压 Vgs(off)与输入电压相比非常小的产品。当IC的电源电压低于1.2V左右时,请使用双极性晶体管。升压DC/DC转换器开始启动时,需要给 IC 的电源端子施加高于 Vgs(off)的电压。
  4. 请使用漏极和源极之间的导通电阻Rds(on)小的产品。 但是一般情况下,导通电阻极低的产品其电容值Ciss,Coss 都有变大的倾向。Rds(on)和Ciss,Coss之间存在着折衷的关系。
  5. 在使用升压DC/DC转换器时,请使用额定电流在峰值电流2~3倍左右的产品。 (降压DC/DC转换器的情况下,以输出电流×降压比×2倍为标准)。请在实际使用的机器上确认发热状况后进行选用。特别是PFM调制的情况下,峰值电流值增大,请多加注意。
  6. 在使用升压DC/DC转换器时,请选用额定电压为输出电压(在使用降压DC/DC转换器时为输入电压)的1.5倍以上的产品。实际上,请在实用机器上确认端子之间的电压不超过额定电压。
  7. 因为通常认为所有电路上的损耗(效率降低部分)都消耗在晶体管上,所以应按此范围选择产品的额定损耗。在输出电压高、输出电流大的状态下,请选择具有能充分承受功率消耗余地的产品。此外,请确认在使用温度范围内器件的发热状况,必要时需采取散热对策。

双极性晶体管

  1. 请使用电流增幅率 hFE 大致在100~500范围内的产品。一般情况下,hFE 极大的晶体管其基极电流小、极间反向饱和电流大,需加以注意。
  2. 尽可能使用开关速度快(导通时的延迟时间ton短、tf短的下降时间、tstg的积蓄时间短)的产品。随加快开关速度,其效率效率也提高。请使用集电极的输出容量 Cob 小(大致以10pF 为标准)的产品。

双极性晶体管的RB、CB

基极电阻(RB)

请使用基极电阻(RB)在250Ω~2kΩ的范围内的产品。在250Ω以下时,将影响IC端的工作状态。
请在上述范围内使用。
当降低RB值时,(大致为200Ω~500Ω)、虽输出电流增大、但小负载时效率降低。
当增大RB值时,(大致为750Ω~2kΩ)、虽输出电流减小,但小负载时效率提高。

当晶体管成导通(ON)的状态时,按以下公式由集电极的电流值ISW(IC)算出RB值。考虑电流增幅率hFE的不均匀等,作为实际使用时的ISE(IC),请按实际状态的3倍以上的值进行计算。

ISW(IC)=hFE x IB = Vout ÷ (RB + REXTH)
RB≦(Vout-0.7)×hFE ÷ ISE(IC) - REXTH

Ex.) Iin=100mA, Vout=5.0V, hFE=200, 250Ω≦RB≦1.4kΩ

加速电容(CB)

为了提高效率,插入加速电容CB
根据RB値及开关调整器的振荡频率 fosc、调整CB值。
请把以下公式作为大致标准,选用CB值。开关速度加快、效率也得到提高。

CB ≧ 1÷(2π x RB x fosc x 0.7)
Ex.) fosc=100kHz、CB=2200pF~3300pF
RB=1kΩ,

增大CB值,虽然开关速度加快,但消耗电流也增多。
一定程度上即使再增大CB值,开关速度的变化减小,不起效果。请把上式作为参考使用。

在选择本公司的电路周围器件时,根据客户的使用条件,选用条件也会有若干变化。
请参考上述说明,在实际使用机器上进行充分的调查。

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