DC-DC 電路中電感的選擇.doc

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1、DC/DC電路中電感的選擇　　在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機(jī)械尺寸等等。本文專注于解釋：電感上的DC電流效應(yīng)。這也會(huì)為選擇合適的電感提供必要的信息?！　　　±斫怆姼械墓δ堋　‰姼谐３１焕斫鉃殚_關(guān)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(shè)計(jì)就必須更深入的了解電感的行為?！　≡诮祲恨D(zhuǎn)換中（Fairchild典型的開關(guān)控制器），電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通

2、過(guò)開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND?！　≡跔顟B(tài)1過(guò)程中，電感會(huì)通過(guò)（高邊DC/DC電路中電感的選擇　　在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機(jī)械尺寸等等。本文專注于解釋：電感上的DC電流效應(yīng)。這也會(huì)為選擇合適的電感提供必要的信息?！　　　±斫怆姼械墓δ堋　‰姼谐３１焕斫鉃殚_關(guān)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(shè)計(jì)就必須更深入的了解電感的行為。　　在降壓轉(zhuǎn)換中（Fa

3、irchild典型的開關(guān)控制器），電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過(guò)開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND?！　≡跔顟B(tài)1過(guò)程中，電感會(huì)通過(guò)（高邊“high-side”）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過(guò)程中，電感連接到GND。由于使用了這類的控制器，可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)電感接地：通過(guò)二極管接地或通過(guò)（低邊“l(fā)ow-side”）MOSFET接地。如果是后一種方式，轉(zhuǎn)換器就稱為“同步（synchronus）”方式?！　‖F(xiàn)在再考慮一下在這兩個(gè)狀態(tài)下流過(guò)電感的電流是如果變化的。在狀態(tài)1過(guò)程中，電感的一

4、端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會(huì)在電感上形成正向壓降。相反，在狀態(tài)2過(guò)程中，原來(lái)連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必然為正端，因此會(huì)在電感上形成負(fù)向的壓降?！　∥覀兝秒姼猩想妷河?jì)算公式：　　V=L（dI/dt）　　因此，當(dāng)電感上的電壓為正時(shí)（狀態(tài)1），電感上的電流就會(huì)增加；當(dāng)電感上的電壓為負(fù)時(shí)（狀態(tài)2），電感上的電流就會(huì)減小。通過(guò)電感的電流如圖2所示：　　通過(guò)上圖我們可以看到，流過(guò)電感的最大電流為DC電流加開關(guān)

5、峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據(jù)上述的公式，我們可以計(jì)算出峰值電流：　　其中，ton是狀態(tài)1的時(shí)間，T是開關(guān)周期（開關(guān)頻率的倒數(shù)），DC為狀態(tài)1的占空比?！　【妫荷厦娴挠?jì)算是假設(shè)各元器件（MOSFET上的導(dǎo)通壓降，電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降）上的壓降對(duì)比輸入和輸出電壓是可以忽略的?！　∪绻?，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作精確計(jì)算：　　同步轉(zhuǎn)換電路：　　異步轉(zhuǎn)換電路：　　其中，Rs為感應(yīng)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

6、導(dǎo)通電阻，R=Rs+Rm?！　‰姼写判镜娘柡投取　⊥ㄟ^(guò)已經(jīng)計(jì)算的電感峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會(huì)知道，隨著通過(guò)電感的電流增加，它的電感量會(huì)減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會(huì)減少多少就很重要了：如果電感量減小很多，轉(zhuǎn)換器就不會(huì)正常工作了。當(dāng)通過(guò)電感的電流大到電感實(shí)效的程度，此時(shí)的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數(shù)?！　?shí)際上，轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會(huì)有一個(gè)“軟”飽和度。要了解這個(gè)概念可以觀察實(shí)際測(cè)量的電感VsDC電流的曲線：　　當(dāng)電流增加到一定程度后，電感量

7、就不會(huì)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(huì)損壞了?！　∽⒁猓弘姼辛肯陆翟诤芏囝惖碾姼兄卸紩?huì)存在。例如：toroids，gappedE-cores等。但是，rodcore電感就不會(huì)有這種變化?！　∮辛诉@個(gè)軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會(huì)規(guī)定在DC輸出電流下的最小電感量；而且由于紋波電流的變化也不會(huì)嚴(yán)重影響電感量。在所有的應(yīng)用中都希望紋波電流盡量的小，因?yàn)樗鼤?huì)影響輸出電壓的紋波。這也就是為什么大家總是很關(guān)心DC輸出電流下的電感量，而會(huì)在Spec中忽略紋波電流下

8、的電感量。　　為開關(guān)電源選擇合適的電感　　電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來(lái)平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點(diǎn)是流過(guò)其上的電流有“很大的慣性”。換句話說(shuō)，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰?！　‰姼袨榇判栽?，自然有磁飽和的問(wèn)題。有的應(yīng)用允許電感飽和，有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和，也有的應(yīng)用不允許電感