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DC-DC升壓和降壓電路電感參數選擇詳解?
文章來(lái)源:永阜康科技 更新時(shí)間:2017/8/11 13:45:00
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注:只有充分理解電感在DC-DC電路中發(fā)揮的作用,才能更優(yōu)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。DC-DC電路電感的選擇簡(jiǎn)介在開(kāi)關(guān)電源的設計中電感的設計為工程師帶來(lái)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(xiàn)電阻,機械尺寸等等。本文專(zhuān)注于解釋?zhuān)弘姼猩系腄C電流效應。這也會(huì )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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。在狀態(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(lèi)的控制器,可以采用兩種方式實(shí)現電感接地: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,轉換器就稱(chēng)為“同步(synchronus)”方式。 現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,電感的一端連接到輸入電壓,另一端連接到輸出電壓。對于一個(gè)降壓轉換器,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。對于一個(gè)降壓轉換器,輸出電壓必然為正端,因此會(huì )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(shí)(狀態(tài)1),電感上的電流就會(huì )增加;當電感上的電壓為負時(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(kāi)關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱(chēng)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,ton是狀態(tài)1的時(shí)間,T是開(kāi)關(guān)周期(開(kāi)關(guān)頻率的倒數),DC為狀態(tài)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(xiàn)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(guò)已經(jīng)計算的電感峰值電流,我們可以發(fā)現電感上產(chǎn)生了什么。很容易會(huì )知道,隨著(zhù)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,轉換器就不會(huì )正常工作了。當通過(guò)電感的電流大到電感實(shí)效的程度,此時(shí)的電流稱(chēng)為“飽和電流”。這也是電感的基本參數。實(shí)際上,轉換電路中的開(kāi)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(guān)察實(shí)際測量的電感VsDC電流的曲線(xiàn):當電流增加到一定程度后,電感量就不會(huì )急劇下降了,這就稱(chēng)為“軟”飽和特性。如果電流再增加,電感就會(huì )損壞了。注意:電感量下降在很多類(lèi)的電感中都會(huì )存在。例如:toroids,gappedE-cores等。但是,rodcore電感就不會(huì )有這種變化。有了這個(gè)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(huì )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(huì )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(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中忽略紋波電流下的電感量。
 
 
 
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