DC/DC 电路中 电感的选择

土豪捕鱼 2019-07-11 11:2556http://www.argoykt.com/admin

DC/DC 电路中 电感的选择

在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值,还要考虑电感可承受的电流,绕线电阻,机械尺寸等等。本文专注于解释:电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

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理解电感的功能

电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L(C是其中的输出电容)。虽然这样理解是正确的,但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。

在降压转换中(Fairchild典型的开关控制器),电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。

在状态1过程中,电感会通过(高边 “high-side”)MOSFET连接到输入电压。在状态2过程中,电感连接到GND。由于使用了这类的控制器,可以采用两种方式实现电感接地:通过二极管接地或通过(低边“low-side”)MOSFET接地。如果是后一种方式,转换器就称为“同步(synchronus)”方式。

现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中,电感的一端连接到输入电压,另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器,输入电压必须比输出电压高,因此会在电感上形成正向压降。相反,在状态2过程中,原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器,输出电压必然为正端,因此会在电感上形成负向的压降。

我们利用电感上电压计算公式:

V=L(dI/dt)

因此,当电感上的电压为正时(状态1),电感上的电流就会增加;当电感上的电压为负时(状态2),电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示:

通过上图我们可以看到,流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式,我们可以计算出峰值电流:

其中,ton是状态1的时间,T是开关周期(开关频率的倒数),DC为状态1的占空比。

警告:上面的计算是假设各元器件(MOSFET上的导通压降,电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降)上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。

如果,器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精确计算:

同步转换电路:

异步转换电路:

其中,Rs为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf 是肖特基二极管的正向压降。R是Rs加MOSFET导通电阻,R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

通过已经计算的电感峰值电流,我们可以发现电感上产生了什么。很容易会知道,随着通过电感的电流增加,它的电感量会减小。这是由于磁芯材料的物理特性决定的。电感量会减少多少就很重要了:如果电感量减小很多,转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到电感实效的程度,此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感的基本参数。

实际上,转换电路中的开关功率电感总会有一个“软”饱和度。要了解这个概念可以观察实际测量的电感Vs DC电流的曲线:

当电流增加到一定程度后,电感量就不会急剧下降了,这就称为“软”饱和特性。如果电流再增加,电感就会损坏了。

注意:电感量下降在很多类的电感中都会存在。例如:toroids,gapped E-cores等。但是,rod core电感就不会有这种变化。

有了这个软饱和的特性,我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规定在DC输出电流下的最小电感量;而且由于纹波电流的变化也不会严重影响电感量。在所有的应用中都希望纹波电流尽量的小,因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心DC输出电流下的电感量,而会在Spec中忽略纹波电流下的电感量。

为开关电源选择合适的电感

电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,所以理论上损耗 为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上,用来平滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句 话说,由于磁通连续特性,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰。

电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和,有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和,也有的应用不允许电感出现饱和,这要 求在具体线路中进行区分。大多数情况下,电感工作在“线性区”,此时电感值为一常数,不随着端电压与电流而变化。但是,开关电源存在一个不可忽视的问题, 即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数),一个是不可避免的绕线电阻,另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大, 但随频率的提高而渐显出来,当频率高到某个值以上时,电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容,则从电感的等效电路可以看出在某一频率 后所呈现的电容特性。

当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时,不妨考虑下面几个特点:

1. 当电感L中有电流I流过时,电感储存的能量为:

E=0.5TImes;LTImes;I2 (1)

2. 在一个开关周期中,电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压的关系为:

V=(LTImes;di)/dt (2)

由此可看出,纹波电流的大小跟电感值有关。

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