開關(guān)電源中DC-DC電路電感設(shè)計(jì)

DC-DC 的電感值通常我們很少計(jì)算，會直接選擇手冊里面推薦的值，這在通常場景下快速展開設(shè)計(jì)和選型沒有問題，但是當(dāng)有特別的電源需求時(shí)，就需要自己手動(dòng)計(jì)算電感并選型，才能滿足我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)，本節(jié)以降壓DC-DC為例講解如何計(jì)算并選擇電感。

消費(fèi)類應(yīng)用是現(xiàn)代 DC/DC 變換器需求的主要驅(qū)動(dòng)力。在這類應(yīng)用中，功率電感主要被用于電池供電設(shè)備、嵌入式計(jì)算，以及高功率、高頻率的 DC/DC 變換器。了解電感的電氣特性對于設(shè)計(jì)緊湊型、經(jīng)濟(jì)型、高效率、并具備出色散熱性能的系統(tǒng)至關(guān)重要。

電感是一種相對簡單的元件，它由纏繞在線圈中的絕緣線組成。但當(dāng)單個(gè)元件組合在一起，用來創(chuàng)建具有適當(dāng)尺寸、重量、溫度、頻率和電壓的電感，同時(shí)又能滿足目標(biāo)應(yīng)用時(shí)，復(fù)雜性就會增加。

選擇電感時(shí)，了解電感數(shù)據(jù)手冊中標(biāo)明的電氣特性非常重要。本文將提供指導(dǎo)，幫助您為解決方案選擇合適電感，同時(shí)闡明如何在設(shè)計(jì)新型 DC/DC 變換器時(shí)預(yù)測電感性能。

電感是什么?

電感是一種電路元件，它可以在自身磁場中儲存能量。電感通過儲存將電能轉(zhuǎn)換為磁能，然后向電路提供能量以調(diào)節(jié)電流。當(dāng)電流增加，磁場就會增強(qiáng)。圖 1 展示了電感模型。

DC-DC電路電感的選擇簡介

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(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(Fairchild典型的開關(guān)控制器)，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。

在狀態(tài)1過程中，電感會通過(高邊“high-side”)MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)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(shí)現(xiàn)電感接地：通過二極管接地或通過(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。DC-DC電路電感參數(shù)選擇詳解

現(xiàn)在再考慮一下在這兩個(gè)狀態(tài)下流過電感的電流是如果變化的。在狀態(tài)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(gè)降壓轉(zhuǎn)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(tài)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(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必然為正端，因此會在電感上形成負(fù)向的壓降。

我們利用電感上電壓計(jì)算公式：DC-DC電路電感參數(shù)選擇詳解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(guān)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。

警告：上面的計(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(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導(dǎo)通電阻，R=Rs+Rm。

電感磁芯的飽和度

通過已經(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(zhuǎn)換器就不會正常工作了。當(dāng)通過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)。

實(shí)際上，轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會有一個(gè)“軟”飽和度。要了解這個(gè)概念可以觀察實(shí)際測量的電感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，gappedE-cores等。但是，rodcore電感就不會有這種變化。

有了這個(gè)軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會規(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绊戄敵鲭妷旱募y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，而會在Spec中忽略紋波電流下的電感量。