實例分析,確定開關電源電感值的基本要點
發布時間:2013-03-12 責任編輯:easonxu
【導讀】本文將闡明為非隔離式開關電源(SMPS)選用電感器的基本要點。所舉實例適合超薄型表麵貼裝設計的應用,像電壓調節模塊(VRM)和負載點(POL)型電源,但不包括基於更大底板的係統。
開關電源電感器是開關電源設備的重要元器件,它是利用電磁感應的原理進行工作的。它的作用是阻交流通直流,阻高頻通低頻(濾波),也ye就jiu是shi說shuo高gao頻pin信xin號hao通tong過guo電dian感gan線xian圈quan時shi會hui遇yu到dao很hen大da的de阻zu力li,很hen難nan通tong過guo,而er對dui低di頻pin信xin號hao通tong過guo它ta時shi所suo呈cheng現xian的de阻zu力li則ze比bi較jiao小xiao,即ji低di頻pin信xin號hao可ke以yi較jiao容rong易yi的de通tong過guo它ta。電dian感gan線xian圈quan對dui直zhi流liu電dian的de電dian阻zu幾ji乎hu為wei零ling。
圖1所(suo)示(shi)為(wei)一(yi)個(ge)降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)架(jia)構(gou),該(gai)構(gou)架(jia)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)於(yu)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)小(xiao)於(yu)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)的(de)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)。在(zai)典(dian)型(xing)的(de)降(jiang)壓(ya)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)電(dian)路(lu)中(zhong),當(dang)開(kai)關(guan)(Q1)閉合時,電流開始通過這個開關流向輸出端,並以某一速率穩步增大,增加速率取決於電路電感。根據楞次定律,di=E*dt/L,流過電感器的電流所發生的變化量等於電壓乘以時間變化量,再除以這個電感值。由於流過負載電阻RL的電流穩定增加,輸出電壓成正比增大。

圖1:典型的降壓拓撲結構電源
在達到預定的電壓或電流限值時,開關電源控製集成電路將開關斷開,從而使電感周圍的磁場衰減,並使偏置二極管D1正zheng向xiang導dao通tong,從cong而er繼ji續xu向xiang輸shu出chu電dian路lu供gong給gei電dian流liu,直zhi至zhi開kai關guan再zai度du接jie通tong。這zhe一yi循xun環huan反fan複fu進jin行xing,而er開kai關guan的de次ci數shu由you控kong製zhi集ji成cheng電dian路lu來lai確que定ding,並bing將jiang輸shu出chu電dian壓ya調tiao控kong在zai要yao求qiu的de電dian壓ya值zhi上shang。圖tu2所示為在若幹個開關循環周期內,流過電感器和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。

圖2:采用降壓拓撲結構的開關電源的開關動作波形圖
電dian感gan值zhi對dui於yu在zai開kai關guan電dian源yuan開kai關guan斷duan開kai期qi間jian保bao持chi流liu向xiang負fu載zai的de電dian流liu很hen關guan鍵jian。所suo以yi必bi須xu算suan出chu保bao持chi降jiang壓ya變bian換huan器qi輸shu出chu電dian流liu所suo必bi需xu的de最zui小xiao電dian感gan值zhi,以yi確que保bao在zai輸shu出chu電dian壓ya和he輸shu入ru電dian流liu處chu於yu最zui差cha條tiao件jian下xia,仍reng能neng夠gou為wei負fu載zai供gong應ying足zu夠gou的de電dian流liu。為wei確que定ding最zui小xiao的de電dian感gan值zhi,需xu要yao知zhi道dao如ru下xia信xin息xi:
•輸入電壓範圍
•輸出電壓及其規定範圍
•工作頻率(開關頻率)
•電感器紋波電流
•運行模式:連續運行模式還是非連續運行模式
下列公式用於計算降壓變換器所需的電感值。
L1=Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)
連續運行模式下:dI < 1/2I
為(wei)了(le)算(suan)出(chu)適(shi)用(yong)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)整(zheng)個(ge)運(yun)行(xing)條(tiao)件(jian)的(de)最(zui)小(xiao)電(dian)感(gan)值(zhi),對(dui)參(can)數(shu)值(zhi)的(de)選(xuan)擇(ze)必(bi)須(xu)能(neng)夠(gou)保(bao)證(zheng)在(zai)各(ge)項(xiang)參(can)數(shu)處(chu)於(yu)最(zui)不(bu)利(li)組(zu)合(he)的(de)條(tiao)件(jian)下(xia),所(suo)選(xuan)擇(ze)的(de)這(zhe)一(yi)電(dian)感(gan)值(zhi)仍(reng)能(neng)將(jiang)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)保(bao)持(chi)在(zai)特(te)定(ding)的(de)數(shu)值(zhi)範(fan)圍(wei)內(nei)。而(er)針(zhen)對(dui)降(jiang)壓(ya)型(xing)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan),其(qi)最(zui)不(bu)利(li)組(zu)合(he)條(tiao)件(jian)為(wei):輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)和(he)頻(pin)率(lv)均(jun)處(chu)於(yu)各(ge)自(zi)的(de)最(zui)低(di)數(shu)值(zhi)時(shi)。此(ci)外(wai),還(hai)要(yao)將(jiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)也(ye)取(qu)為(wei)其(qi)最(zui)小(xiao)規(gui)定(ding)值(zhi),以(yi)確(que)定(ding)能(neng)夠(gou)保(bao)持(chi)正(zheng)常(chang)調(tiao)節(jie)功(gong)能(neng)所(suo)需(xu)的(de)最(zui)低(di)電(dian)感(gan)值(zhi)。設(she)計(ji)者(zhe)可(ke)以(yi)按(an)照(zhao)自(zi)己(ji)所(suo)習(xi)慣(guan)的(de)方(fang)式(shi),對(dui)這(zhe)些(xie)數(shu)值(zhi)進(jin)行(xing)控(kong)製(zhi),以(yi)達(da)到(dao)最(zui)差(cha)條(tiao)件(jian)成(cheng)立(li)的(de)狀(zhuang)態(tai)。

圖3:典型的降壓電源係統技術規格
按照表1中所列出的數據,最小電感值計算如下:
L1(min)=Vo(min)(1-Vo(min)/(Vin(min)-Von))/(f(min)•dI)
L1(min)=4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz * 0.5A)
L1(min)=10.6mh
因此,在開關電源這一具體應用中,電感器的電感值至少為10.6 mh,而其電流額定值也要在最低的20安(an)培(pei)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)之(zhi)上(shang),並(bing)保(bao)持(chi)足(zu)夠(gou)的(de)安(an)全(quan)係(xi)數(shu)。而(er)如(ru)果(guo)選(xuan)擇(ze)一(yi)個(ge)電(dian)感(gan)值(zhi)低(di)於(yu)此(ci)最(zui)小(xiao)值(zhi)的(de)電(dian)感(gan)器(qi),就(jiu)將(jiang)導(dao)致(zhi)降(jiang)壓(ya)變(bian)換(huan)器(qi)可(ke)能(neng)無(wu)法(fa)在(zai)最(zui)大(da)電(dian)流(liu)下(xia)將(jiang)其(qi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)保(bao)持(chi)在(zai)規(gui)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)。
將電感值確定以後,實際電感器的設計必須符合相關電氣標準、xitongchicunheanzhuangfangshidengxianzhi。xuduocixingyuanjiangongyingshangjuntigonggezhongxinghaodebiaozhunchanpin,kemanzujuedaduoshudeshejibiaozhunyaoqiu。danshi,zaishejizhongcaiyongxianhuogongyingdebiaozhunchanpin,youkenengdaozhidianganqidexingnenghechicunfangmianyousuobuzu,bingkenengzuizhongduichanpindexiaoshouzaochengbuliyingxiang。erxingyundeshi,yixiegongyingshangnenggoutigongbiyaodedingzhigongchengshejizhichi,yimanzujiangtedingdianganzhi、dianqixingnenghewaixingxianzhiyaoqiujiehezaiyikuanwanquanchengshudechanpinshang,cujinshejidezuiyouhua。chongfenliyongleyejiedezhuanyejishu,congerzuidachengdudisuoduanleshejiheceshideshijian,jiasukaiguandianyuanchanpindeshangshi
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