电源电路的基础知识(3)～开关稳压器的设计步骤～

本次我们将简单说明开关稳压器的设计流程的一个例子。

选定开关电源IC

广泛应用于数字设备和家用电器等中的开关电源也可以通过组合运算放大器等分立零部件(单个零部件)来构成，但从头设计需要大量的时间进行工作分析和验证，零部件的数量也会增加。也很难安装短路时的电流限制等各种保护功能。
因此，通常使用具有集成功能并保证工作的市售开关电源IC(表1)。
除了供应给系统的电压(电源的输入电压)和负载电路所需的电压和电流(电源的输出电压和输出电流)的基本规格外，还要在立足于预期的输入电压变动幅度、负载电路的消耗电流的变动幅度、允许的输出电压误差、环境温度范围等所需规格的同时，利用供应商网站上提供的零部件选择功能来选定最佳的电源IC。
当然，电路尺寸、成本、转换效率(发热)、供应商采用实绩等也是一个重要的因素。

选定输出电容器和输出电感器

选定开关电源IC后，在参考开关电源IC的应用说明中所描述的推荐常数的同时，继续选定无源零部件(电阻器/电容器/电感器)。其中两个最重要的是输出电容器(图1的Cout)和输出电感器(图1的L)。

输出电容器的选定

选定输出电容器时应该注意的一点是电容特性和ESR(等效串联电阻)。

譬如，常用于开关电源的MLCC（多层陶瓷电容器），众所周知会由于温度和DC偏压而导致电容下降(图2)。

其中，温度特性通常用EIA标准的代码来表示。“X5R”产品的电容在高温下也会有轻微的下降，而“Y5V”产品的电容会有明显的下降，所以需要注意。需要事先考虑输出电容器的环境温度在工作过程中会上升多少，并选择合适的电容器。
此外，由于高介电常数系的MLCC的电容在施加直流电压时有显著下降的趋势，如果仅通过标称电容来选择电容值，则有可能在实际使用条件下无法获得期望的特性。

有关这些课题，也请结合参照技术信息 “用导电性聚合物电容器解决MLCC的课题”。

理想情况下，电容器应该只有静电电容(C)，但实际的电容器除了C分量外还包括等效串联电阻(ESR)、等效串联电感(ESL)、绝缘电阻(IR)(图3)。

其中作为电阻分量的ESR是导致电压降的原因，当负载电流继续变动时，电压降也会随之变动，到达负载的电压下降。此外，如果ESR较高，则因开关而产生纹波电流的吸收效果将会下降，电容器的寿命将会因ESR和纹波电流产生的热量而缩短。因此，需要注意的是，ESR高的电容器的使用条件受到了极大的限制。
一般来说，钽电容器和铝电解电容器是ESR高的电容器，而MLCC和导电性聚合物电容器则是ESR低的电容器。
有关电容器的ESR，也请参照技术信息 “电容器的基础知识(1)～机制、使用方法、特性～” 和 “开关电源的MLCC输入/输出电容器向混合电容器置换的事例” 。

1. 电容特性
2. ESR(等效串联电阻)

在设计的上游工序采取噪声对策

开关电源电路设计中成为课题的是噪声。正如在 “电源电路的基础知识(2)” 中说明的那样，通过开关元件在开关频率下反复通、断，形成一个电流被大幅度切换的回路(图4)，在原理上会产生电磁噪声和接地噪声（接地弹跳）。

图4. 原理上在开关电源中存在的电流回路的模式图

当电源中产生的噪声叠加在自身的系统上时，工作会变得不稳定或引起异常工作。这就是所谓的“自体中毒”现象。此外，如果噪声辐射到外面，会影响到其他设备。譬如，在汽车中，根据噪声所包含的频率，噪声可能混合在AM无线电中(在日本是526.5kHz到1606.5kHz)。
因此，在电源电路设计中，为了满足家电、汽车等各个领域规定的各种EMI(Electro Magnetic Interference 电磁干扰)标准，噪声的抑制和对策是必不可少的。
在设计的上游工序中，尽量采取防止噪声的对策可以降低成本，节省时间。具体来说，设法进行基板设计很重要，如使包括输入电容器在内的电流回路的面积尽可能小，使其他信号远离回路，使电路接地尽可能“大面积图案”(或使用多层基板)，适当地配置旁路电容器等滤波器元件。最近，也使用一种利用电磁场分析工具在基板上使得电流和阻抗可视化的手法。
此外，通过改进封装来抑制了噪声的开关电源IC也已经上市，因此选择这样的解决方案也是一个好主意。

上面列出了设计开关电源时的一般步骤和典型的注意事项。实际上，需要在考虑更多条件的同时继续进行设计作业。也请参考在过去的产品中具有实绩的电源电路和电源IC供应商提供的参考电路等。

下次我们将介绍用来控制汽车的ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)的电源。

相关产品信息

• 导电性聚合物电容器
• 电感器
• EMC对策产品、电路保护产品