如何为航天级开关稳压器选择无源元件

shuszhao · 发表于 2021-8-14 10:37:08

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随着航天器的航空电子设备中越来越多地使用低电压、大电流负载(例如FPGA)，工程师越来越需要设计开关式稳压器来产生电源轨。之前我在“Switch-mode regulators for space applications”一文中描述了如何利用降压拓扑实现DC-DC转换，以及从供应商处选择航天级器件时所要考虑的标准。大多数合格的元器件都集成了开关和低边FET，但需要一个外部电感器以及输入和输出电容器。这些无源元件的选择非常重要，因为它们决定了转换的质量，即输入和输出纹波、负载调节，以及对单粒子效应(SEE)的响应。
电源设计就其本质而言充满了权衡和折中，例如成本、尺寸、性能和可靠性。然而，在优化和减少储能无源器件的尺寸和质量方面也还有余地。
开关式DC-DC转换通过控制开关状态的占空比，基于流入和流出DC-DC的能量来调节输出电压。当开关导通时，能量从输入源流入转换器，在降压的情况下，其中一些能量作为磁能(0.5×LI2)存储在电感器中，而另一些则直接传递到输出(正向拓扑)。类似地，在关断期间，能量从转换器传送到负载。对于降压转换器，这个能量来自电感器，也就是之前在FET导通时存储在电感器中的能量。

在导通期间添加到电感器的能量始终等于开关关闭时提供给负载的能量，即电感器在每个周期结束时的电流和能量都与开始时完全相同，这也就是稳态的定义！

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图1：这张图显示了降压稳压器的开关周期。

例如，假设开关频率为500kHz，输入为+5.5V，负载电压为+0.95V，负载电流为18A，转换效率为90%，那么由此产生的输入和输出功率则分别为19和17.1W。每个开关周期吸收的源端能量为38µJ，FET关闭时的能量输出为34.2µJ。根据规定，在500kHz的频率下，稳压器处理的总能量为17.1J/s，即17.1W。
当向电感器添加能量时，通过它的电流会呈线性上升。当排除能量时，电流呈斜坡下降，从而导致观察到交流电流纹波。与之类似，当向电容器添加能量时，其两端的电压会呈线性上升。当排除能量时，电压会下降，从而导致观察到交流电压纹波。开关动作会不断地增加和排除能量，从而导致电感器有电流纹波通过，以及电容器有电压纹波通过。对于这两种情况，在相对于其直流电平的最大容许交流变化量方面都有相应准则。
对于降压稳压器，电感器在FET开关导通时将输入能量存储在其磁场中，然后在高边晶体管关闭时将其传递给负载。电感值的选择基于要传送到负载的电流纹波水平，这由几何比r确定：

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其中，Iload是平均电感电流，ΔIload是电流摆幅，Iac和Idc分别是电感电流的交流值和直流值。因此，与r相关的电感（单位：H）可以通过下式计算：

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其中，fsw是开关频率（单位：Hz）。
例如，要在18A时产生+0.95V电源轨，表1列出了以安培为单位和以Iload的百分比表示的绝对峰峰值电感器电流纹波，以及所得电感随r的变化情况。

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表1：电感器纹波和电感值的计算。

电感值与负载电流和开关频率成反比，而其物理尺寸和质量与Iload成正比。
全集成型航天级降压稳压器可提供更小的总外形尺寸，更易于获得选用，同时，必须添加外部磁性元件和无源元件则使设计人员可以更好地控制电流纹波水平，从而控制传递到负载的电压变化。

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图2：全集成型与非集成型航天级开关稳压器对比。

大电感可以产生较小的电流纹波，从而降低负载中的电压波动。较大的电感，由于其反对电流变化的自然倾向，可减慢稳压器的瞬态响应，但是由于其较大的固有直流电阻而又会增加功率损耗。较小的电感可提高稳定速度，但是会增加输出纹波的大小并有使电感器进入饱和的风险。重要的是不超过电感器的RMS电流和饱和电流额定值，后者要大于所计算的峰值。磁体的物理尺寸必须与其能量处理能力相匹配，并且需要更大的磁芯来处理更大的功率。还要检查电感的容差，某些供应商的电感容差可能高达30%，从而导致大于所期望的纹波电流。
电感器电流纹波表现为输出电压的变化，输出电容的功能之一是减少负载侧所看到的纹波量。电容器ESR和ESL是决定与电感器电流相关的输出电压纹波的重要参数。
电容器会自然抵抗交流电压的变化，一旦充电，其就有保持电压的趋势，特别是在直流电压上有纹波的情况下。如果电容器的大小合适，那么其就会由于变化太慢而无法跟上由纹波引起的电压波动，因此它们就会受到滤除。
当FET关闭时，输入就会与输出断开，但是，负载将始终需要持续的能量流动。在此期间，输出电容还必须存储足够的电荷以向负载提供输出：当开关关闭时，电感电流会在为负载供电的同时不断降低，输出电容会对这一电流变化进行缓冲，从而使负载看到的电压几乎保持恒定。
输出电容还决定了稳压器如何响应负载电流的较大变化。在DC-DC转换器不能为负载供电时，必须要适当调整其大小，直到DC-DC转换器的反馈控制回路能够响应为止。以下公式指定了实现此目的所需的最小输出电容：

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用以下等式则可计算满足目标输出电压纹波要求的最小输出电容：

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由电感器和输出电容形成的LC滤波器可以去除开关波形中的交流分量，从而输出平均(直流)电压。对于降压稳压器，输出电容会受到以负载电压为中心的纹波反复充电和放电。图1中的Ico迹线代表了流入输出电容的连续电流。
通常会将多种不同的电容器并联使用，据此最大限度地减少等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)对输出纹波和均流的影响，从而确保可靠运行。元器件的选择是根据额定纹波电流、工作电压和寄生参数进行的。
图3绘制了由ESR、ESL和电容产生的纹波电压影响。ESR的影响是电阻×电流；电容分量是电流和时间的积分，也就会产生三角波；ESL分量可以表示为导数，在每个开关瞬间会出现瞬时尖峰，也就会产生类似高频脉冲的噪声。电容器两端的总电压波动包括这三个分量的总和：

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在输出端看到的峰峰值电压纹波与电容和开关频率成反比，但是与负载电流、ESR和ESL成正比。

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图3：这一工作分析显示了ESR、ESL和电容对纹波电压的影响。

图4比较了采用钽电容器和多层陶瓷电容器(MLCC)所测得的纹波电压。MLCC的固有ESR较低，增加电容量可进一步降低纹波。

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图4：这些图表显示了电容器类型和电容对纹波电压的影响。

输入电容会将DC-DC转换器开关处的源端纹波电压降低到大容量电容器可处理的水平，而不会影响后者的ESR耗散。对于降压稳压器，当FET导通时，其输入电流的交流部分由电容提供。当高边开关关闭时，输入电容会重新充电，图1中的Ic(IN)迹线代表了其具有高di/dt值和高峰峰值幅度的不连续梯形波形。源端无法产生如此快速变化的脉动电流。
大容量输入电容用于尽可能降低电源电压偏差，从而确保在负载瞬变期间获得稳定输出。电容越高，扰动越低，这与负载电流的变化成正比。
确定输入电容大小的一个好的起点是指定峰峰值电压纹波的目标水平，后者与电容和开关频率成反比，但与负载电流和ESR成正比：

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对于降压稳压器，输入电容器的RMS电流远大于输出电容器的RMS电流，前者由其应力要求所决定，而在输出端，它只是决定电容值的最大容许负载纹波。电容器的最大容许RMS电流可以根据其最大功耗计算得出，后者可以根据其外壳尺寸、ESR和容许温升进行推导。
通常会将多种不同的电容器并联使用，据此最大限度地减少对输入纹波以及均流的ESR和ESL影响，从而确保可靠运行。元器件的选择是根据额定纹波电流、工作电压、自发热、ESR和ESL选择的，并且会使用多层陶瓷电容器，因为其寄生效应较低。因此，所观察到的纹波几乎完全是由实际电容所引起的，必须注意热量和直流偏置对电容器值的影响。通常会使用对温度不太敏感的电介质来尽可能减小电容变化。温度越高，可靠性(包括寿命)越低。
设计降压稳压器时有许多权衡：较高的开关频率可降低输入和输出电容器中的纹波电压水平，并减少DC-DC转换器所需的电容量。然而，减少后者会增加电压纹波的幅度，并且以更快的速率开关会增加交流损耗，从而影响效率。还有其他优化的机会，例如，对于给定的电压纹波目标，只要增加开关频率就可以使用较小的储能元件，从而就可降低电容。
较小的电感具有较低的DCR，这样可以改善瞬态响应，并且对于给定的瞬态性能，所需的输出电容较小。较大的电感可以获得较低的纹波电流，因此等效输出纹波所需的电容较小。
如果超过了电感的饱和电流，其电感将会下降，从而会使纹波电流增加：电感下降30%会使纹波电流增加＞40%，并使磁芯饱和。屏蔽电感器可降低EMI和潜在干扰，但由于制造成本增加，因此价格略高。屏蔽往往会降低饱和电流，从而降低最大冗余RMS电流。Lsat也会随温度变化！
Rajan Bedi博士是Spacechips的CEO和创始人，该公司设计并制造了一系列先进的L到Ku波段的超高吞吐量机载处理器和转发器，用于电信、地球观测、导航、互联网和M2M/物联网卫星。Spacechips的设计咨询服务可以开发定制的卫星和航天器子系统，并为客户提供如何使用和选择正确元器件的建议，以及如何设计、测试、组装和制造太空电子设备。