元件選型:開關電源設計如何選擇電感?
發布時間:2015-06-16 責任編輯:echolady
【導讀】開關電源設計中電感的選擇至關重要。本文就來深度剖析開關電源設計中的電感電流,以及DC/DC電路中電感的選擇。隻要了解了電感的作用,就知道設計開關電源如何選擇最適合的電感。
隻有充分理解電感在DC/DC電路中發揮的作用,才能更優的設計DC/DC電路。本文還包括對同步DC/DC及異步DC/DC概念的解釋。
zaikaiguandianyuandeshejizhongdiangandeshejiweigongchengshidailaidexuduodetiaozhan。gongchengshibujinyaoxuanzedianganzhi,haiyaokaolvdiangankechengshoudedianliu,raoxiandianzu,jixiechicundengdeng。
理解電感的功能
電感常常被理解為開關電源輸出端中的LC濾波電路中的L(C是其中的輸出電容)。雖然這樣理解是正確的,但是為了理解電感的設計就必須更深入的了解電感的行為。
在降壓轉換中,電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或GND。

圖1
在狀態1過程中,電感會通過(高邊 “high-side”)MOSFET連接到輸入電壓。在狀態2過程中,電感連接到GND。由於使用了這類的控製器,可以采用兩種方式實現電感接地:通過二極管接地或通過(低邊“low-side”)MOSFET接地。如果是後一種方式,轉換器就稱為“同步(synchronus)”方式。現在再考慮一下在這兩個狀態下流過電感的電流是如果變化的。在狀態1過(guo)程(cheng)中(zhong),電(dian)感(gan)的(de)一(yi)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya),另(ling)一(yi)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi),輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)必(bi)須(xu)比(bi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)高(gao),因(yin)此(ci)會(hui)在(zai)電(dian)感(gan)上(shang)形(xing)成(cheng)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)。相(xiang)反(fan),在(zai)狀(zhuang)態(tai)2過程中,原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對於一個降壓轉換器,輸出電壓必然為正端,因此會在電感上形成負向的壓降。
我們利用電感上電壓計算公式:
V=L(dI/dt)
因此,當電感上的電壓為正時(狀態1),電感上的電流就會增加;當電感上的電壓為負時(狀態2),電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖2所示:

圖2
通過上圖我們可以看到,流過電感的最大電流為DC電流加開關峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據上述的公式,我們可以計算出峰值電流:
其中,Rs為感應電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導通電阻,R=Rs+Rm。
電感磁芯的飽和度
通tong過guo已yi經jing計ji算suan的de電dian感gan峰feng值zhi電dian流liu,我wo們men可ke以yi發fa現xian電dian感gan上shang產chan生sheng了le什shen麼me。很hen容rong易yi會hui知zhi道dao,隨sui著zhe通tong過guo電dian感gan的de電dian流liu增zeng加jia,它ta的de電dian感gan量liang會hui減jian小xiao。這zhe是shi由you於yu磁ci芯xin材cai料liao的de物wu理li特te性xing決jue定ding的de。電dian感gan量liang會hui減jian少shao多duo少shao就jiu很hen重zhong要yao了le:如果電感量減小很多,轉換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感實效的程度,此時的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數。
實際上,轉換電路中的開關功率電感總會有一個“軟”飽和度。要了解這個概念可以觀察實際測量的電感Vs DC電流的曲線:

圖3
當電流增加到一定程度後,電感量就不會急劇下降了,這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加,電感就會損壞了。注意:電感量下降在很多類的電感中都會存在。例如:toroids,gapped E-cores等。但是,rod core電感就不會有這種變化。
有了這個軟飽和的特性,我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的最小電感量;而er且qie由you於yu紋wen波bo電dian流liu的de變bian化hua也ye不bu會hui嚴yan重zhong影ying響xiang電dian感gan量liang。在zai所suo有you的de應ying用yong中zhong都dou希xi望wang紋wen波bo電dian流liu盡jin量liang的de小xiao,因yin為wei它ta會hui影ying響xiang輸shu出chu電dian壓ya的de紋wen波bo。這zhe也ye就jiu是shi為wei什shen麼me大da家jia總zong是shi很hen關guan心xinDC輸出電流下的電感量,而會在Spec中忽略紋波電流下的電感量。
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