選擇降壓穩(wěn)壓器時準(zhǔn)確的開關(guān)頻率和電流限制的重要性
20 多年來，TI 的SIMPLE SWITCHER® LM2576 穩(wěn)壓器一直是 DC/DC 降壓穩(wěn)壓的熱門選擇。但是市場上有這么多不同的監(jiān)管機(jī)構(gòu)，似乎很難為這項(xiàng)工作選擇合適的部分。以下是我們在看似相同的產(chǎn)品之間進(jìn)行選擇時要尋找的內(nèi)容。
為便于討論，讓我們針對 TI 的 SIMPLE SWITCHER LM2576 評估其他制造商制造的類似引腳對引腳 (P2P) 插入式替代器件。我們將這些類似產(chǎn)品稱為“調(diào)節(jié)器 X”。穩(wěn)壓器 X 的數(shù)據(jù)表與 TI 穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)表非常相似。事實(shí)上，它可能看起來相同。為了測試穩(wěn)壓器 X 的性能與其規(guī)定的關(guān)鍵參數(shù)（例如開關(guān)頻率和電流限制）的匹配程度，TI 的應(yīng)用工程團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一個定制評估板，以獲取 TI 的 40-V、3-A LM2576 的性能和可靠性基準(zhǔn)數(shù)據(jù)降壓轉(zhuǎn)換器，以及來自不同制造商的其他三個穩(wěn)壓器 X 設(shè)備（我將其稱為 Xa、Xb、Xc）。
針對常見 5V OUT應(yīng)用，對所有四款器件的輸入電壓和負(fù)載電流效率進(jìn)行了評估。測試在 -40°C、25°C 和 85°C 的溫度下進(jìn)行。還對標(biāo)稱 3A 設(shè)備的輸出電流一直進(jìn)行了測試，直至 7A，以揭示性能限制、安全風(fēng)險(xiǎn)和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。
測試結(jié)果表明，至少有一家制造商的設(shè)備以接近設(shè)備數(shù)據(jù)表中規(guī)定頻率的三倍的頻率進(jìn)行切換。根據(jù)制造商的數(shù)據(jù)表，測得的開關(guān)頻率為 150 kHz，而器件的額定開關(guān)頻率為 52 kHz。準(zhǔn)確了解器件開關(guān)頻率對于為我們的設(shè)計(jì)正確確定外部組件的大小至關(guān)重要。如果我們選擇的器件的開關(guān)頻率低于預(yù)期，則初級輸出電感等外部元件額定值將太小。這可能會導(dǎo)致一系列問題，包括輸出電感電流飽和、由于較高的均方根 (RMS) 電流導(dǎo)致的輸出電容器損壞以及系統(tǒng)不穩(wěn)定。如果開關(guān)頻率高于預(yù)期，組件額定值太大，無法針對應(yīng)用進(jìn)行充分優(yōu)化，從而導(dǎo)致電路板空間浪費(fèi)。不能低估準(zhǔn)確了解開關(guān)頻率的重要性。圖 1 顯示了一個簡單的降壓原理圖，該原理圖使用 PSpice® for TI 工具在不同的開關(guān)頻率下進(jìn)行了仿真。PSpice for TI 是一個免費(fèi)使用的電路仿真平臺，允許用戶在進(jìn)行布局和制造之前對 TI 器件進(jìn)行仿真，從而縮短上市時間并降低開發(fā)成本。
圖 1：簡單的降壓仿真原理圖
改變脈沖電壓源的脈沖寬度和周期以實(shí)現(xiàn)三種不同的開關(guān)頻率：慢（20 kHz 顯示為紅色）、標(biāo)稱（52 kHz 顯示為綠色）和快速（150 kHz 顯示為藍(lán)色）。圖 2 所示的仿真電感電流波形說明了改變開關(guān)頻率對電感電流紋波的影響。該電感電流紋波通過輸出電容器分流，為負(fù)載提供平滑的直流輸出電流。表 1 說明了增加的峰峰值電感紋波電流如何導(dǎo)致更高的 RMS 電流通過輸出電容器。低開關(guān)頻率情況下較高的 RMS 電流可能會損壞額定用于標(biāo)稱或快速開關(guān)頻率情況的輸出電容器。
圖 2：不同開關(guān)頻率下電感電流波形的仿真輸出
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開關(guān)頻率 (kHz) |
電感電流紋波 (mA) |
輸出電容有效值電流 (mA) |
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20 |
2300 |
1030 |
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52 |
890 |
830 |
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150 |
280 |
795 |
表 1：針對不同開關(guān)頻率降低輸出濾波器電流
測試期間發(fā)現(xiàn)的最常見的性能不準(zhǔn)確之處在于規(guī)定的電流限制與實(shí)際的電流限制。高電流限制會在短路條件下導(dǎo)致電感器、二極管和集成電路 (IC) 過熱，這會損壞 IC 并阻止其正常工作。這反過來又會阻止最終產(chǎn)品發(fā)揮作用。在穩(wěn)壓器 Xa、Xb 和 Xc 的數(shù)據(jù)表中，規(guī)定的最大電流限值為 6.9 A。但在評估過程中，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓器的 Xa、Xb 和 Xc 電流限值實(shí)際上在 4.9 A 到 7.5 A 之間；見表 2。
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12 輸入電壓 |
24 輸入電壓 |
36 輸入電壓 |
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TI的LM2576 |
4.49 一個 |
4.71 安 |
4.89 安 |
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制造商 Xa |
5.67 安 |
6.04 一個 |
7.00 安 |
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制造商 Xb |
4.92 安 |
5.25 安 |
無法啟動 |
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制造商 Xc |
6.01 一個 |
6.89 安 |
7.56 安 |
表 2：TI 的 SIMPLE SWITCHER LM2576與替代器件之間的電流限制比較
本文重點(diǎn)介紹了準(zhǔn)確了解開關(guān)頻率和電流限制的重要性，但是在為我們的下一個設(shè)計(jì)選擇降壓轉(zhuǎn)換器時，我們如何知道這些參數(shù)是準(zhǔn)確的呢？我們可以采取以下幾個步驟來幫助確保降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)按預(yù)期工作：
1. 仔細(xì)檢查數(shù)據(jù)表以確保在器件規(guī)格范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)要求；絕對最大額定值部分和電氣特性表是很好的起點(diǎn)。
2. 在 E2E 等在線論壇上發(fā)布我們的問題。
3. 請求評估模塊 (EVM) 進(jìn)行測試。
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