输出滤波器电感的选择通常使用几个优点(FOM)来选择。在开关调节装置的数据表中讨论了其中的一些优点。在选择组件时，通常会突出显示三个关键因素:
- 电感值通常选择在额定输出电流的10%到30%之间的纹波电流。
- 在最大电流限制或短路情况下，电感不应饱和。
- 应选择电感器以维持电流模式转换器的稳定电流回路。不正确的选择会导致变换器的次谐波振荡，特别是当工作在50%占空比时。这是很好的理解，但大多数制造商没有很好地规定。
还有一些其他因素通常没有在数据表中讨论，或者几乎没有为设计工程师所熟知。例如，电感值会对开关稳压器的大信号瞬态响应产生影响。如果电感太大，在较大的负载电流变化期间，占空比可能下降到零或增加到最大占空比。在这些情况下，反馈回路失去控制，输出电压偏移将比预期的大得多。
电感对电流回路稳定性影响的定性性质是很清楚的。半导体制造商通常不指定定量电流回路稳定性，也不需要计算它的信息。
经常被忽略的一个考虑因素是自谐振频率(SRF)或与SRF相关的并联等效电容Cp的影响。
在这篇文章中，我将关注这个特性-电感SRF对开关稳压器性能的影响。如果大家有足够的兴趣，也许我会再写一些与这些方面相关的文章。
自已谐振频率(SRF)
这是与电感平行的内部寄生电容的测量。
图1 -电感简化示意图，显示直流电阻、电感、并联电容和交流损耗电阻。
寄生电容与电感的结构有关，与匝数、匝间绝缘体和绕组类型有关。电感的SRF为电感与并联电容的并联谐振Cp:
Cp可以通过重新整理这个方程来计算，求解Cp:
在许多情况下，特别是对于较大的电感值，提供SRF。在低值，大电流电感的情况下，它很少被指定。这主要是因为Cp相当高，这是不可取的。例如，考虑一下这个FP1308R3-32-R电感器在我们的SIC531 DCDC转换器中使用演示板．SRF未指定，电容也未指定。数据的缺乏不仅仅是制造商的问题。这是另一个也不包括SRF或Cp信息。
其他制造商提供SRF信息。例如,这个类似的电感从Bourns包括90 MHz SRF规格，尽管我注意到DCR在相同大小的包要高得多。由于非常高的相对DCR，我不会真的认为它是等价的，尽管相似的尺寸，电感和电流评级。
这从Wurth电感器提供了115 MHz的SRF规范。这300年nh电感器来自Coilcraft也提供了类似的电感，并提供了42 MHz的规格。
如果SRF或Cp没有为正在考虑的电感指定，我敦促您自己测量它。这是大多数向量网络分析器(VNAs)的简单测量方法。在这里，我使用OMICRON Lab Bode 100测量FP1308R3-32-R，使用2端口分流方法。校准夹具后，使用2端口SOL，电感测量300nH在1MHz和SRF测量18.35 MHz。
图2-电感测量显示共振在18.3MHz。基于300nH的电感，这是测量的总电容为252pF。电感安装电容约为38pF，因此仅电感为214pF。
德克萨斯州麦金尼的莱特纳电子公司还设计和制造了一个定制的300nH环形电感器进行比较。这是他们的零件号码023-1446。由于我们主要关注的是高频电感和SRF，因此进行了1端口反射测量。莱特纳电感的测量结果如图3所示。
图3- Leightner 023-1446电感测量显示共振在400MHz。基于230nH的电感，测得的总电容为0.7pF，比FP1308R3-32-R低300倍。
表1比较了几种电感器的测量结果。所有的电感器大约是13.5毫米x 13毫米。在某些情况下，电感器被购买，或作为样品接收，并被测量。在其他情况下，列出数据表值。
表1 -电感器选项摘要
零件号 |
制造商 |
L (nH) 0 adc |
SRF (MHz) |
Cp(pF) |
DCR (Ω) |
FP1308R3-32-R |
伊顿 |
320 |
18.3兆赫 |
214 pf |
0.18 |
023 - 1446(自定义) |
Leightner |
300 |
400兆赫 |
0.7 pf |
0.18 |
744309033 |
Wurth |
330 |
158兆赫 |
3.1 pf |
0.17 |
slc1480 - 301 mld |
Coilcraft |
300 |
46个兆赫 |
39.9 pf |
0.18 |
srp - 1265 |
柏恩斯 |
320 |
90兆赫 |
9.8 pf |
0.65 |
除了SRP-1265，这些电感器都有相似的DCR，它们都在315uH +/- 5%以内。SRF范围为18.3MHz ~ 400MHz，对应电容范围为0.7pF ~ 214pF。其中三个设备的数据以S1p格式导出，并导入到Keysight Pathwave ADS中，以便它们可以一起显示。三个测量结果如图4所示。
图4 -三个电感样品一起显示。定制莱特纳电感(绿色)，伍尔特电感(蓝色)，设计在伊顿电感(红色)。
为什么它很重要
在MOSFET的上升时间内，转换器的开关节点从0V上升到Vin。对于这个SIC531板，上升和下降时间测量如图5所示。更快的边缘大约是1.1ns。
图5 -用Picotest P2104A 5X超高带宽传输线探头测得的SIC531电源模块上升和下降时间分别为1.1ns和1.3ns。
这条边的带宽定义为:
在318MHz时，三个电感器的阻抗是不同的。自定义电感是一个较低的电感由于分辨率的匝为所需的电感尺寸。在318MHz，开关节点的边缘速率下，定制电感的阻抗约为60欧姆;这几乎是伍尔特电感的两倍，比设计中的伊顿电感大近五倍。
用莱特纳自定义电感和设计的伊顿电感对DC-DC变换器的输出纹波和频谱图进行了评估。直接比较如图6所示。
图6 - Picotest SIC531演示板使用设计的伊顿电感和定制设计的莱特纳电感显示输出纹波。
由电感的寄生并联电容和输出电容的寄生串联电感产生的高频尖峰噪声，在定制电感中要低得多。高频谱(因此是电磁干扰;EMI)也与定制电感低得多。降低并联电感电容和降低输出电容的串联电感都能有效地降低高频频谱。
结论
在选择输出滤波器电感时有许多考虑因素。一个非常关键的参数是电感的寄生电容(或SRF)。这些数据通常不被发布或制造商定义得很差。
和往常一样，我的建议是测量您在设计中考虑的每个组件。在你的电路中比较几个潜在的电感选择，或一个代表性的测试夹具，以比较性能和作出适当的权衡评估也是值得的。
参考文献
- S.M. Sandler, PICOTEST，基于测量的VRM建模，DesignCon 2020
- 掌握电源完整性和电源测试的基本知识．
