本文將探討在設計降壓（buck或step-down）變換器時哪些參數最重要，以及如何將其與可用的最佳電感配對。我們還將學習如何計算基本參數，並解釋開關模式電源 IC 和電感的一些參數要求，包括紋波電流、電感 (L)、飽和電流 (I_SAT) 和額定電流 (I_R)。

 

當今電子行業

 

近10 年(nian)來(lai)，消(xiao)費(fei)者(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)期(qi)望(wang)技(ji)術(shu)使(shi)他(ta)們(men)的(de)生(sheng)活(huo)更(geng)輕(qing)鬆(song)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)
，普(pu)通(tong)家(jia)庭(ting)的(de)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)數(shu)量(liang)也(ye)在(zai)增(zeng)加(jia)。不(bu)斷(duan)增(zeng)多(duo)的(de)連(lian)接(jie)和(he)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)選(xuan)擇(ze)意(yi)味(wei)著(zhe)這(zhe)些(xie)設(she)備(bei)必(bi)須(xu)更(geng)加(jia)高(gao)效(xiao)才(cai)能(neng)保(bao)持(chi)競(jing)爭(zheng)力(li)。對(dui)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)來(lai)說(shuo)，要(yao)支(zhi)持(chi)消(xiao)費(fei)者(zhe)在(zai)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)使(shi)用(yong)方(fang)麵(mian)的(de)這(zhe)些(xie)轉(zhuan)變(bian)，最(zui)佳(jia)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)高(gao)性(xing)能(neng)部(bu)件(jian)的(de)降(jiang)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)，將(jiang)電(dian)壓(ya)輸(shu)入(ru)轉(zhuan)換(huan)為(wei)必(bi)要(yao)的(de)電(dian)源(yuan)軌(gui)。

 

降壓變換器是最常見的電源拓撲。其主要組件包括輸入和輸出電容器
、開關（例如 MOSFET）和電感。這些設備的目標是調節輸出電壓。而上下管MOSFET隻有與穩壓器結合使用時才會發揮作用，它們會形成一個集成的降壓穩壓器 IC。

 

選擇具有最佳電感的恰當IC 並不是很困難。要成功選擇與降壓變換器配合良好的電感，以避免過多功耗並提高效率
，最關鍵是注意一些設計參數。

 

降壓變換器功耗與效率基本原理

 

通過降壓變換器及其基本部件的功能框圖，我們可以清楚了解哪些組件有助於提高效率，以及哪些參數應予以考慮（見圖 1）。

 

圖1:降壓變換器基本原理圖

 

如果分解降壓變換器的效率和功耗，我們可以看到對功耗和效率影響最大的是 MOSFET 和電感，靜態電流和可調電阻則貢獻不多（見圖 2）。

 

圖 2：帶MPL-AL6060-150 15μH 電感的 MPQ4572 降壓變換器效率曲線

 

圖 3 顯示了帶 2A 負載的 24V 至 5V 降壓變換器效率分解圖。電感和 MOSFET 貢獻了870mW的功耗
，而靜態功耗僅在總功耗上增加了900µW。為了實現最高效率並避免浪費能源
，我們必須確保將最先進的開關元件與高性能電感相結合。

 

圖3: 降壓穩壓器的效率分解圖

 

電感量(L) 根據經驗
，通常建議以 30% 至 40% 的紋波電流開始設計變換器。首先用公式 (1)計算出標稱電感 (L)： $$L = (1-DC) times left(frac {V_{OUT}} {f_{sw times Delta I_{L}}}right)$$ 

 

其中 DC 為變換器占空比，V_OUT為輸出電壓
，f_SW 為開關頻率，而∆I_L 為紋波電流。在本例中，輸入電壓為 24V，輸出電壓為 5V
，紋波電流為800mA（平均 2A 負載），開關頻率為 500kHz。 根據這些數值，我們可以計算出典型電感值為 9.89µH。

 

紋波電流(∆I_L )

 

紋波電流 (∆I_L) 是疊加在平均負載電流上的低頻交流電流量，它流經主功率電感並為輸出電容器 (COUT) 充電。紋波電流可以通過等式 (2) 來估算：

 

$$Delta I_{L} = (1-DC) left(frac{V_{OUT}}{{f_{SW}}^{times L}}right)$$

 

圖 4 展示的重要設計參數包括峰值電流 (I_PEAK) 和平均電流 (I_AVG)。平均電流是我們係統的預期負載電流，它與降壓變換器的輸出有關。紋波電流 ((∆I_L) 的一半被添加到平均負載電流上

，形成峰值電流。對一個成功且高效的降壓變換器設計來說，其電感飽和電流 (I_SAT) 必須超過峰值電流。

 

圖4: 平均負載電流上的紋波電流

 

圖 5 顯示了一個經優化的 24V 至 5V 降壓變換器示例，該變換器采用了MPS 的MPQ4572和一個 15µH電感 (MPL-AL6060-150)。其紋波電流圍繞 2A 負載電流振蕩
，具有完美的三角波形。

 

圖 5：24V 降壓變換器的電感電流（藍色）和開關節點電壓（黃色）

 

飽和電流(ISAT)

 

現代電感中使用的鐵磁材料具有的物理特性是，匝數越多和電感 (L) 越高
，飽和電流 (I_SAT) 就越低。 圖 6顯示了一個典型的I_SAT曲線圖。從中我們可以預期在 2A 負載電流下的有效電感為 13µH。

 

圖6: 飽和電流（ISAT）與電感電流（IL）之間的函數關係

 

當流過電感的電流增加時，電感會降低
，作為一個電源設計人員，記住這一點很重要 。 溫度升高會降低有效電感。 根據電感中使用的技術
、結構和材料，飽和電流曲線可以穩定至高達幾安培。

 

由於高效電感具有軟飽和特性
，且降壓變換器IC 具有峰值電流限製等保護功能。 因yin此ci電dian感gan不bu可ke能neng選xuan錯cuo。即ji使shi電dian感gan過guo高gao或huo過guo低di
，我wo們men仍reng然ran可ke以yi得de到dao合he理li的de結jie果guo。但dan是shi，飽bao和he電dian流liu留liu有you足zu夠gou的de裕yu度du很hen重zhong要yao，因yin為wei裕yu度du不bu足zu會hui導dao致zhi係xi統tong效xiao率lv低di下xia，而er較jiao低di的de飽bao和he電dian流liu會hui導dao致zhi電dian感gan電dian流liu出chu現xian尖jian峰feng（見圖 7）。

 

圖 7：飽和電流過低的電感電流（藍色）和開關節點電壓（黃色）

 

額定電流(I_R)和直流電阻(R_DC)

 

另一個需要考慮的重要參數是額定電流 (I_R)。 請記住，隨著電感的增加，額定電流 (I_R) 會降低。再進一步
，我們可以直接使用平均負載電流來估計有效溫升 (∆T)。

 

由於銅繞組內部的直流損耗，溫升與自熱直接相關。 這意味著直流電阻越低，自熱越低，電感的額定電流（I_R）就越高。  

 

在較小的封裝尺寸中，構成電感線圈的漆包銅線直徑也很小。這會導致較高的直流電阻
、直流損耗和較低的IR。因此，在封裝尺寸和額定電流之間選擇一個好的折衷方案，對於成功設計降壓變換器非常重要。根據經驗，平均工作條件下，20°C 至 30°C 的溫升是較為可靠的起點（見圖 9）。另外

，要保證EMC性能
，PCB上的元件需要非常小
，這樣才能讓熱回路也更小。

 

圖9: 額定電流曲線圖

 

匹配電感和降壓穩壓器以獲得最佳效率

 

現在我們已經了解了基本原理
，要實現降壓變換器的最佳效率，我們需要選擇彼此性能匹配的一個穩壓器 IC 和一個電感。 如果忽略電感的交流損耗和 MOSFET 的轉換損耗，則可以關注直流功耗。

 

任何導體的功耗 (P_LOSS) 都可以用公式 (3) 來計算： $$P_{LOSS} = I^2 times R_{DC} $$ 

 

由於MOSFET 有開有關
，因此開關 MOSFET 的傳導損耗並不總是在整個開關周期內累加。 當上管MOSFET (HS-FET) 導通時
，其功率損耗要乘以占空比 (DC) 。通過比較電感的直流電阻 (R_DC) ) 與MOSFET 的導通電阻R_DS(ON)，我們可以取R_DS(ON)的分數進行匹配。(R_DC) ) 和(DC x R_DS(ON))應彼此接近。它們不需要完全相等
，但在差值非常接近時（1mΩ以內），我們可以得到很高的效率。

 

例如

，對於 24V 到 5V 的轉換，占空比為V_OUT / V_IN = 0.208，這意味著 HS-FET 僅在 20.8% 的時間內傳導電感電流。 也意味著傳導損耗僅占總傳導損耗的 20.8%。但是，下管MOSFET (LS-FET) 以 79.2% 的占空比傳導電感電流，即在大多數情況下都處於導通狀態。 這就是為什麼大多數現代降壓穩壓器都具有不同的MOSFET上下管開關比。

 

為了最大限度地降低損耗並實現尺寸、性能和成本之間的最佳折衷，首先需將電感的直流電阻與 MOSFET 的 R_DS(ON)比率進行匹配。 

 

由於現代降壓變換器的導通電阻範圍從數十到數百 mΩ，因此，采用圓形或扁平銅線以及模塑鐵氧體化合物的小型高導電功率電感
，可以相匹配獲得最佳性能。

 

Conclusion

 

市場上有大量不同的電感，因此匹配合適的電感和降壓變換器將是一項挑戰。即使需要在尺寸、效率和成本之間做出妥協
，但總有一款電感可以滿足我們最終應用的技術和環境要求。

 

現代降壓穩壓器 IC hemosugonglvdiangandoujuyoushushihaooufanweidezhiliudianzuhechuandaodianzu。quebaosuoyoudianzudouzaitongyifanweineijiangyouzhuyuzaichicunhexiaolvzhijianshixianzuijiapingheng。jiaodadefengzhuangdianganhe MOSFET 通常有助於降低功率損耗。然而

，在一定的尺寸下
，成本和 PCB 空間會迅速增加而無法顯著提高性能。 因此

，針對必要的飽和電流 (I_SAT)、額定電流 (I_R)

、電阻 ((R_DC)) 和導通電阻 (R_DS(ON)) 
，通過合理的努力實現功率電感與降壓變換器的最佳匹配，這是獲得最佳性能的一種快速簡便的方法。

 

來源：MPS

 

 

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