開(kāi)關(guān)電源電感器是開(kāi)關(guān)電源設備的重要元器件，它是利用電磁感應的原理進(jìn)行工作的。它的作用是阻交流通直流,阻高頻通低頻(濾波)，也就是說(shuō)高頻信號通過(guò)電感線(xiàn)圈時(shí)會(huì )遇到很大的阻力，很難通過(guò)，而對低頻信號通過(guò)它時(shí)所呈現的阻力則比較小，即低頻信號可以較容易的通過(guò)它。電感線(xiàn)圈對直流電的電阻幾乎為零。
本文將闡明為非隔離式開(kāi)關(guān)電源(SMPS)選用電感器的基本要點(diǎn)。所舉實(shí)例適合超薄型表面貼裝設計的應用，像電壓調節模塊(VRM)和負載點(diǎn)(POL)型電源，但不包括基于更大底板的系統。
圖1所示為一個(gè)降壓拓撲結構開(kāi)關(guān)電源的架構，該構架廣泛應用于輸出電壓小于輸入電壓的開(kāi)關(guān)電源系統。在典型的降壓拓撲結構電路中，當開(kāi)關(guān)(Q1)閉合時(shí)，電流開(kāi)始通過(guò)這個(gè)開(kāi)關(guān)流向輸出端，并以某一速率穩步增大，增加速率取決于電路電感。根據楞次定律，di=E*dt/L，流過(guò)電感器的電流所發(fā)生的變化量等于電壓乘以時(shí)間變化量，再除以這個(gè)電感值。由于流過(guò)負載電阻RL的電流穩定增加，輸出電壓成正比增大。
在達到預定的電壓或電流限值時(shí)，開(kāi)關(guān)電源控制集成電路將開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，從而使電感周?chē)拇艌?chǎng)衰減，并使偏置二極管D1正向導通，從而繼續向輸出電路供給電流，直至開(kāi)關(guān)再度接通。這一循環(huán)反復進(jìn)行，而開(kāi)關(guān)的次數由控制集成電路來(lái)確定，并將輸出電壓調控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個(gè)開(kāi)關(guān)循環(huán)周期內，流過(guò)電感器和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。
電感值對于在開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間保持流向負載的電流很關(guān)鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值，以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下，仍能夠為負載供應足夠的電流。為確定最小的電感值，需要知道如下信息：
·輸入電壓范圍
·輸出電壓及其規定范圍
·工作頻率(開(kāi)關(guān)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
下列公式用于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
為了算出適用于開(kāi)關(guān)電源整個(gè)運行條件的最小電感值，對參數值的選擇必須能夠保證在各項參數處于最不利組合的條件下，所選擇的這一電感值仍能將紋波電流保持在特定的數值范圍內。而針對降壓型開(kāi)關(guān)電源，其最不利組合條件為：輸入電壓和頻率均處于各自的最低數值時(shí)。此外，還要將輸出電壓也取為其最小規定值，以確定能夠保持正常調節功能所需的最低電感值。設計者可以按照自己所習慣的方式，對這些數值進(jìn)行控制，以達到最差條件成立的狀態(tài)。
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(kāi)關(guān)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安培的工作電流之上，并保持足夠的安全系數。而如果選擇一個(gè)電感值低于此最小值的電感器，就將導致降壓變換器可能無(wú)法在最大電流下將其輸出電壓保持在規定范圍內。
將電感值確定以后，實(shí)際電感器的設計必須符合相關(guān)電氣標準、系統尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應商均提供各種型號的標準產(chǎn)品，可滿(mǎn)足絕大多數的設計標準要求。但是，在設計中采用現貨供應的標準產(chǎn)品，有可能導致電感器的性能和尺寸方面有所不足，并可能最終對產(chǎn)品的銷(xiāo)售造成不利影響。而幸運的是，一些供應商能夠提供必要的定制工程設計支持，以滿(mǎn)足將特定電感值、電氣性能和外形限制要求結合在一款完全成熟的產(chǎn)品上，促進(jìn)設計的最優(yōu)化。充分利用了業(yè)界的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，從而最大程度地縮短了設計和測試的時(shí)間，加速開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的上市。
|
