DC DC電路電感的選擇

注：只有充分理解電感在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。

 

DCDC電路電感的選擇 簡介

在開關電源的設計中電感的設計為工程師帶來的許多的挑戰。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，機械尺寸等等。本文專注于解釋：電感上的DC電流效應。這也會為選擇合適的電感提供必要的信息。

 

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（Fairchild典型的開關控制器），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。

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。由于使用了這類的控制器，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。如果是后一種方式，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過程中，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。相反，在狀態2過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對于一個降壓轉換器，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：

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，t_on是狀態1的時間，T是開關周期（開關頻率的倒數），DC為狀態1的占空比。

 

警告：上面的計算是假設各元器件（MOSFET上的導通壓降，電感的導通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降）上的壓降對比輸入和輸出電壓是可以忽略的。

如果，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作精確計算：

同步轉換電路：

異步轉換電路：

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

通過已經計算的電感峰值電流，我們可以發現電感上產生了什么。很容易會知道，隨著通過電感的電流增加，它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少就很重要了：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VsDC電流的曲線：

當電流增加到一定程度后，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，rodcore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么都會規定在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嚴重影響電感量。在所有的應用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什么大家總是很關心DC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。