电感选择对DC-DC转换器性能的折衷

图5和图6给出了图1所示电路在从2A至5A再返回至2A的负载阶跃时FDV0620-0.47µH和FDV0620-1µH电感的负载暂态响应，在图6中，外部补偿经过调整以配合1µH电感值。参考图1，改变了以下三个元件来达到该目的：C10 = 1000pF，R4 = 5900，R6 = 316。请注意图5中的输出电压过冲要低于图6。对于具有相同电感量的DV0620和FDV0630系列，测量到的响应相同。

图5. 图1电路使用FDV0620系列的0.47µF电感工作在3.3V输入，1.8V输出，2A至5A输出电流时的负载暂态CH4 = I_OUT、CH2 = V_OUT。

图6. 类似于图5，但是使用FDV0620系列的1µF电感

工作原理

　　在描述了电感选择的测量结果之后，我们现在概括其工作原理。下面的等式忽略真实电感的寄生特性，但是它仍可为电感的工作原理提供良好的理解。

　　高边MOSFET在电感充电期间(t_ON)导通，将电感连接至输入电源电压。在确定电感值以后，可以用t_ON = T替换dt，用(V_IN- V_OUT)替换V，然后计算I (即di)。表2给出了图1所示电路中(I与本文所讨论的电感之间的对应关系。图1中电路满足表2参数的条件是V_IN = 3.3V，V_OUT = 1.8V，(T = D x T，其中D为占空比(V_OUT/V_IN)，T为开关周期(1/f_S)。

表2. 给定电感值与电感电流变化值

Inductor (µH)	I (A)
0.47	1.74
1	0.818

　　di/dt (I/T)的中值等于I_OUT，因此峰值电流等于I_OUT加I/2。可以看到在负载电流相同时较小的电感将导致较大的峰值电流。

直流电阻(DCR)

　　IC和电感的功率损耗可以从效率曲线得到。对于图2中的FDV0620-0.47µH，输出电流取1A时效率为92.5%。输出功率为1A乘以1.8V即1.8W，因此输入功率为1.8/0.925 = 1.946W。总损耗为P_IN - P_OUT = 0.146W。主要的功率损耗来自电感直流电阻、MOSFET R_DS(ON) (导通电阻)以及开关损耗。I_OUT² x DCR等于电感的功率损耗。

　　FDV0620-0.47µH在1A输出电流时的DCR损耗为8.3mW (见表3)，占总损耗的5.7%。在I_OUT = 4A，P_IN = 8.1W，P_OUT = 7.2W (效率 = P_OUT/P_IN = 88.9%)时，总损耗为P_IN - P_OUT = 0.9W；FDV0620-0.47µH在4A时DCR损耗为132.8mW，占总损耗的14.7%。I_OUT²的结果是在较大输出电流时DCR损耗更大。

表3. DCR引起的功率损耗

Series and Value	PDCRLOSS at IOUT = 0.5A (mW)	PDCRLOSS at IOUT = 1A (mW)	PDCRLOSS at IOUT = 4A (mW)
FDV0620-0.47µH	2.1	8.3	132.8
FDV0630-0.47µH	1.15	4.6	73.6
FDV0620-1µH	4.5	18	288
FDV0630-1µH	2.5	10	160

导通损耗

导通损耗是电感电流或I_OUT、占空比(D)和R_DS(ON)的函数：

P_CONDM = I_LX² x R_DS(ON) x D

高边导通损耗为：
1A输出电流时，P_COND = 1² x 0.022 x 1.8V/3.3V = 12mW。
4A输出电流时，P_COND = 4² x 0.033 x 1.8V/3.3V = 288mW。

低边导通损耗为：
1A输出电流时，P_COND = 12 x 0.022 x (1-1.8V/3.3V) = 10mW。
4A输出电流时，P_COND = 42 x 0.033 x (1-1.8V/3.3V) = 240mW。

1A时R_DS(ON)取室温时测量的典型值，但是大电流时MOSFET工作在较高的温度。R_DS(ON)可以进行调整以适应较高的温度，因此在4A输出电流时取33m。

开关损耗

　　开关损耗发生在开关打开和关闭的过程中，由MOSFET栅极电容充放电电流引起。在开关打开的瞬间，开关两端的电压较高，但是在电压下降前电流持续上升。下面的等式可以使用逼近法粗略计算开关的功率损耗：

P_SW = ½V x I_OUT x t_SW x f_SW

其中t_SW为开通或关闭时间，f_SW为开关频率。对于1A输出电流，

P_SW = ½ x 3.3V x 1A x 5ns x 1MHz = 8.24mW

　　在本例中无法方便的测量t_SW，因为MAX8646的开关内置，它们共享公共连接LX(引脚15至引脚16)。在死区时间前后，LX端的上升和下降时间大致各为5ns。

　　上面的功率损耗计算同时适用于开通和关闭。因为本例中LX端的上升和下降时间t_SW相同，可以将该数值乘以4。如果MOSFET外置可以进行测量，然后可以单独计算得到更精确的结果。对于0.47µH电感，在1A输出电流时开通和关闭损耗大概各为32.96mW。