在DC/DC設(shè)計(jì)中電感和電容器的選定

DC-DC外圍電感選型需要考慮以下幾個(gè)參數(shù)：

電感量L

L越大，儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，紋波越小，所需的濾波電容也就越小。但是L越大，通常要求電感尺寸也會(huì)變大，DCR增加。導(dǎo)致DCDC效率低，相應(yīng)的電感成本也會(huì)增加。

自諧振頻率f0

由于電感中存在寄生電容，使得電感存在一個(gè)自諧振頻率。超過此f0時(shí)，電感表現(xiàn)為容性效應(yīng)，低于f0，電感才表現(xiàn)為感性(阻抗隨頻率增大而增大)

內(nèi)阻DCR

電感的直流電阻DCR，該內(nèi)阻造成I2*R的能量消耗，一方面造成DCDC效率低，同時(shí)也是導(dǎo)致電感發(fā)熱的主要原因。

飽和電流Isat

電感量下降30%時(shí)對(duì)應(yīng)的DC電流值。

有效電流Irms

電感表面溫度上升到40度時(shí)的等效電流值

DCDC電感選型步驟：

1、根據(jù)DCDC輸入輸出特性計(jì)算所需最小電感量

對(duì)于BUCK型DCDC，計(jì)算公式如下

Lmin=[Vout*(1-Vout/Vinmax)]/Fsw*Irpp

其中，Vinmax最大輸入電壓，Vout輸出電壓，F(xiàn)sw開關(guān)頻率，Irpp電感文波電流峰峰值

通常將Irpp控制在50%的輸出額定電流Irate。則上述公式變化如下：

Lmin=2*[Vout*(1-Vout/Vinmax)]/Fsw*Irate

對(duì)于BOOST型DCDC的Lmin電感計(jì)算如下：

Lmin=2*[Vinmax*(1-Vinmax/Vout)]/Fsw*Irate

2、根據(jù)電感的精度，計(jì)算出有一定余量的電感值，例如對(duì)于20%精度的電感，考慮到5%的設(shè)計(jì)裕量，則DCDC所需電感量為L(zhǎng)=1.25*Lmin

3、確定我們所需的電感量比計(jì)算出的電感L稍大的標(biāo)稱電感

例如，Vinmax=4.2V，開關(guān)頻率Fsw=1.2MHz，輸出電流Irate=0.5A，輸出電壓Vout=1.2V

所需最小電感量為L(zhǎng)min=2*[1.2*(1-1.2/4.2)]/(1.2*0.5)=2.85uH，L=2.86*1.25uH=3.57uH

距離3.57uH最近的一個(gè)標(biāo)稱電感為4.7uH，所以DCDC外部電感選用4.7uH電感

4、再給定的標(biāo)稱電感下，考慮以下限制因素最終決定電感的選型。

A、電感自諧振頻率f0需10倍于開關(guān)頻率Fsw以上;

B、飽和電流Isat和有效電流Irms中較低的一個(gè)需是DCDC額定電流輸出Irate的1.3倍以上;

C、DCR越低越好;

D、疊層電感比繞線電感好(損耗小);

E、帶屏蔽的電感比不帶屏蔽的電感好(改善EMI)

在設(shè)計(jì)降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，電感的選擇很重要。性能或特性視其選擇而有極大的影響。電感的選擇步驟或電感值等的計(jì)算方法基本上標(biāo)示于利用電源IC的技術(shù)規(guī)格。

電感的選定步驟

首先，介紹電感選定的步驟。

1)計(jì)算必要的電感值L

2)計(jì)算流向電感的最大電流(輸出電流+1/2紋波電流)

3)根據(jù)已計(jì)算的L值(或近似)選擇已計(jì)算電感飽和電流的最大電流以上的電感 ※在短路或瞬態(tài)狀態(tài)下計(jì)算出可能會(huì)流出的最大值以上的電流， 因此有以最大開關(guān)電流為基礎(chǔ)來(lái)選擇的方法

基本上根據(jù)計(jì)算并考慮余量后做決定。余量的求取法基于公司的設(shè)計(jì)規(guī)則或經(jīng)驗(yàn)法則。

1)電感值的計(jì)算

首先，根據(jù)以下公式計(jì)算電感值。

2)電感最大電流的計(jì)算

接著，根據(jù)以下公式計(jì)算電感的最大電流。

從公式和電流波形可知，ILPEAK值為ΔIL的1/2加IOUT的值。 根據(jù)已計(jì)算的電感值和電感的最大電流選擇近似的電感值且飽和電流在最大電流以上的電感。以下為選擇例。

電感的選定例

條件：V

IN

= 12V 、V

OUT

= 3.3V、I

OUT

= 2A、r = 0.3、f

SW

= 380kHz

根據(jù)上述結(jié)果，飽和電流2.3A以上的10μH電感成為出發(fā)點(diǎn)。之所以稱為出發(fā)點(diǎn)，是因?yàn)榇擞?jì)算非絕對(duì)性，在考慮短路或瞬態(tài)狀態(tài)的情況等有可能必須變更。

使電感值變化的電感電流

在這里，為加深對(duì)電感工作的理解，進(jìn)一步說(shuō)明電感值變化時(shí)電感電流如何變化的情形。下圖表示在相同工作條件下將電感值設(shè)為0.4μH、1μH、2.2μH時(shí)ILPEAK。

從公式也可得知，當(dāng)電感值L變小時(shí)，ILPEAK會(huì)増加，可以獲得許多直流疊加電流。不過，通過ILPEAK増加，有必要容許更多的直流疊加電流。而電感值變大時(shí)則相反，必須探討相位補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)事宜。