输入电容器的设计考虑因素

2012-10-09 12:06:34来源: 互联网

对于自举转换器fb00t.St raPP edconverter)而言,输入电容器可发挥两大操作功能。首先,输入电容器在软启动过程中充当电源,不仅为转换器极驱动提供电流源,而且还为软启动过程中连接至集成电路(Ic)的所有其它电路系统提供电力。其次,输入电容器能够过滤来自转换器电路或其它电路的噪声。转换器运行时,控制IC的输入电容器可向场效应晶体管fFET)的栅极提供高电流脉冲,避免较大的电流瞬变导致Ic输入产生较大噪声。

  上述两大功能要求单个电容同时具备多种特性,而这些特性又往往是彼此不兼容的。

  电容器的能量存储空间能力和尺寸都必须足够大,以便能够在软启动过程中为系统提供足够的电力能。电容器的类型和大小决定了其在较高频率情况下往往不能提供所需的低阻抗特性。

  开关FET所需的高频栅极驱动电流要求电容器能够处理高频电流。多层陶瓷电容器则能够提供所需特性。由于系统的高频电气要求,因此电容器必须靠近Ic且两者间的电感应尽可能小。

  在确定大型电容器的尺寸规格时,认识到IC需要自己的内部电源也是非常重要的。因为一旦IC达到其“开启”电压,其所有内部电路都会通电并开始吸收电流。这些电路包括为开关提供计时功能的振荡器、误差放大器以及用于控制与参考的比较器等。在此之前,各部件不通电。正由于此,我们通常建议同时采用两个电容器。

  两个电容器中的其中一个尺寸规格可以相对较小,具备较低的等效串联电阻fESR)和等效串联电感(ESL),并可需直接放置在IC的电源引脚(Vcc)及其接地之间。该电容器能够处理与内外部负载开关(如功率FET的栅极驱动)等相关的高频电流。

  另一个大型电容器的位置则应根据实际情况靠近Vcc和接地。不过,由于该电容器不处理上述高频电流组件,因此其位置并不十分关键。该电容在启动过程中提供所需的大部分电力。

  研究转换器的启动程序有助于确定一些潜在的问题。首先,我们假定只需要一个体积较小的高频电容器。这时,在仅使用较小电容器的情况下,相关结果强调指出,我们应当另外再采用一个大型电容器。

  为了便于分析,我flf~定驱动一个每次“开启”均需要60纳库fnanocoloumb)的栅极驱动电荷且工作频率为1 00 kHz的FET。这就是说,一旦电路通电,栅极驱动本身的电流就为6 mA。有关计算公式如下:

  60纳库×100 kHz=6mA

  若假定总的软启动时间为10ms,那么FET驱动电流加上Ic的6 mA内部电流(总共12mA)可用于确定压降。UCC2817的最小磁滞电压滞环fhysterisis)为5.8V。0.1pF的Vcc电容能否足以在软启动过程中为Ic供电呢?『如果最小磁滞电压滞环未知,那么应使用最小的打开电压和最高的关闭电压,根据欠压锁定(UVLO)数据来确定最小磁滞电压滞环值』。

  如果这个问题的答案是否定的,则表明0.1pF的Vcc电容不够。在软启动时间为10ms,电流为12mA的情况下,0.1pF的电容电压将改变1,200V。即便电容为1OpF,电压的改变也会为12V。在这种情况下,我们将需要1OOpF的电容,这时的Vcc压降为1.2V。现在,我们了解到,Ic和FET需要1OOpF的电容才能处理启动过程中的功耗

  不过,研究一个高频开关周期后,该怎样判断0.1u电容器上的电压纹波呢?由于影响l00BF电容器高频特性的ESR和ESL通常较低,因此我们常常忽略大型电容器。Vcc引脚上将出现波纹电压,且与接地引脚相关。FET转换产生的纹波电压由以下方程式得出:

  [(60纳库/0.1gF)=0.6V]。

  除非附近还有另外一个高频电容器或用作高频过滤器的电容更高的电容器,否则栅极充电时,会出现0,6v的负峰值。在此情况下,lgF电容器是较好的选择。

  应当承认,这似乎是一种极端情况,不过对UCC28l7等PFC控制器而言,这又是很现实的情况。当然,这会导致l00BF电容器的充电时间问题(在此不讨论)。

  就其它电路而言,比如软启动时间为500BF的电路,其软启动时间短得多,且内部功耗也较低。在采用UCC28C42的情况下,最小开启和最大关闭电压分别为l3.5v和l0.0V,最大IC电流消耗为3.0mA。假设总的栅极驱动电荷仅为上例中的一半即30纳库,且输入电容器的容量为0.1gF的话,那么电压将下降30V。在此情况下,1.0gF的电容器就会产生3V的压降。这似乎是可以接受的,一切情况都不错,不过我们还要考虑其它问题。

  启动时,1.0 gF电容器上的电压为l3.5V。电容器一旦达到该电压值,参考电压引脚上的电容就会上升到5V。如果参考电压引脚上的总电容为0.1gF,那么电荷传输会使电压进一步下降0.5V。这样,似乎设备刚好具备足够的正常启动所需电力。如果1.0gF电容器的容差较低,那么设备可能就难以正常启动。

  设计人员有时采用参考电压V来给其它负载加电。例如,UCC28C42的V…保持其稳压,以便达到20mA的电流。如果v…引脚上加载这种负载,那么输入电容器的大小应能够处理软启动过程中额外的电流,因为最终会从v (Ic的输入电源引脚)电容器吸收电流。为了将输入压降限制在2.6V并确保安全启动,我们需要4.7 的v 电容器。但如果4.7 F电容器的容值偏差为士20%,那么设备有时可能难以正常启动,因为当容值偏差为.20%时,总压降可能超过3.5V。

  结论:

  在为电源控制IC选择输入电容器时,首先要采取几个步骤。第一,要明确使转换器电压上升至全电压并能从自举线圈向IC提供电流需要多大电力。第二,要明确电容器上的负载会产生什么样的瞬态波动效应。

  此外,必须估算电力能。电力能主要包括来自Ic的电容器总负载(包括V…和其他Vcc线路负载)、驱动要求的以及Ic的工作电流等。将V 电容提升到一定电压所需的电荷也要考虑到,因为要从Vcc电容来吸收电流。

  下一步,就要明确Ic的最小开启和最大关闭电压,也就是众所周知的UVLO阈值或最小磁滞电压滞环。

  最后,要明确从开始启动到完成启动所需的最长时间。同时,还要记住考虑电容器的容值的偏差问题。

  上述三大步骤将明确最小需要什么样的大型电容器。在选择高频电容器时,不仅要分析Ic上小型电容器应提供的高频电流,而且还要分析从负载或FET栅极吸收的电流脉冲产生的电压波动。

  只有考虑到上述全部因素,我们才能设计出安全可靠的Ic输入电容器,满足自举电源转换器的相关要求。

关键字:电容器  设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1009/article_17030.html
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