BUCK變換器輸出電感的選擇步驟

BUCK變換器輸出電感的選擇步驟如下。

1、初步計算電感值

BUCK變換器通常利用下面的二個公式來選擇電感：

輸入電壓Vin有一定的波動范圍，Vin在最大值、也就是占空比D最小時，電感的電流紋波最大，為最惡劣的情況。在這個條件下，上管關(guān)斷時間toff(max)、也就是下管開通時間最大。

其中，Ts為開關(guān)頻率。

通常，設(shè)定電感的電流紋波系數(shù)r，得到電感的電流的變化值DI，由公式1就可以計算電感值。

其中，Io為輸出電流，r通常取0.2-0.4倍的Io。

電感電流紋波系數(shù)r取值范圍為什么要在0.2-0.4之間？

（1）r過小，會產(chǎn)生如下問題：

磁芯的體積正比儲存的能量，r過小導(dǎo)致電感尺寸、體積變大，成本變高。如果磁芯不變，電感值大，紋波小，需要更多匝數(shù)的線圈才能得到更大的電感值，同時，導(dǎo)致飽和電流降低。同樣飽和電流，電感值加大，只有選用更大體積的磁芯。對于電流模式，電感值過大，電流紋波系數(shù)過小，系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)速度變慢。

（2）r過大，會產(chǎn)生如下問題：

電流模式的r取值增加，電感值小，瞬態(tài)響應(yīng)速度快。但是，r過大，輸出電流紋波加大，輸出電壓紋波也變大。電容的有效值電流、開關(guān)管的峰值和有效值電流都會增加。輸入電容的體積取決于流過的紋波電流，電流有效值增大一倍，體積增大四倍。

同時，r在0.2-0.4之間，電感的能量曲線出現(xiàn)一個拐點，如圖1所示。因此，r取在0.2-0.4之間，是多個因素優(yōu)化折衷考慮的結(jié)果。

圖1：電感電流紋波系數(shù)優(yōu)化圖

National Semiconductor Application Note 1197

電感的取值，總體需要考慮下面三個因素，然后取三個值中的最大電感值。

（1）計算Vin最大時，滿足紋波和峰值限流點的最小電感值；

（2）計算變換器在CCM連續(xù)模式下的最小電感值；

（3）計算加入斜坡補償后，避免次諧波振蕩的最小電感值。

電感電流紋波系數(shù)的選擇，就是考慮第一個條件的計算結(jié)果。第二個條件結(jié)合連續(xù)模式的最小電流，很容易計算出結(jié)果。很多IC內(nèi)部加了斜坡補償，斜坡補償加入后，會影響最大峰值限流點，峰值限流點和Vin，Vo、Io和電感相關(guān)，很多IC內(nèi)部已經(jīng)考慮了斜坡補償不影響最大的輸出電流。

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其中，S為IC內(nèi)部所加的斜坡補償值，A/ms。Q為品質(zhì)因素，通常取2。在占空比大于50%才使用上述公式。

上述的計算值要考慮電感值的誤差和溫度的變化，然后圓整為標(biāo)稱的電感值，如4.7mH 、10mH等；然后使用標(biāo)稱的電感值，回過去，計算相應(yīng)的電感紋波和其他參數(shù)值。

2、校核電感的飽和電流

在電感的數(shù)據(jù)表中，電感的供應(yīng)商提供的電感值，通常是在電流為0時的測量值，飽和電流是指電感值下降到標(biāo)稱值10%的工作電流。

圖2：電感的數(shù)據(jù)表

圖3：電感的飽和電流

電感的飽和電流會隨著工作溫度的增加而降低，所以，要在最極端的條件下，校核電感的飽和電流值，考慮的因素如下。

（1）最高的工作溫度；

（2）最大的輸入電壓；

（3）IC在極端條件下，最大的過流保護點；

（4）IC在極端條件下，最大的前沿消隱時間或電流檢測信號的延時；

對于峰值電流模式，前沿消隱時間內(nèi)，系統(tǒng)過流保護是不起作用的，如果此期間發(fā)生電感飽和，就必須考慮此時間結(jié)束后、OCP發(fā)生作用時，電感電流的最大值，這個電流通常會大于IC的數(shù)據(jù)表的OCP值。

設(shè)計原則：電感的飽和電流大于IC在最惡劣控制條件下電感可能工作的最大電流，而不是IC數(shù)據(jù)表中最大過流保護OCP值。

3、優(yōu)化電感的工作溫度和功率損耗

電感的損耗包括磁芯損耗（鐵損）和線圈損耗（銅損），電感最理想的工作狀態(tài)就是鐵損和銅損相等。減小銅損耗方法有：減小繞組的匝數(shù)，或使用更粗的銅線；減小鐵損耗方法就是減小磁感應(yīng)強度B變化率或使用損耗更小的磁芯材料。

電感的損耗隨溫度的變化有一個溫度拐點，溫度升高，損耗降低；當(dāng)?shù)竭_(dá)某一個溫度點后，溫度升高，損耗反而增加。在超過拐點以上溫度工作時為正溫度系數(shù)區(qū)，電流增加，溫度升高，電感減小，電流進(jìn)一步增加，因此工作在正溫度系數(shù)區(qū)比較危險，從設(shè)計角度，不希望電感工作在正溫度系數(shù)區(qū)。

圖4：電感的溫度和損耗

最好的設(shè)計原則就是：電感的最高工作溫度選在拐點附近靠左邊的區(qū)域，這樣電感的總損耗最小，系統(tǒng)的效率最高。

在實際應(yīng)用中，如果電感的溫度過低，可以在PCB上調(diào)整電感和功率MOSFET的距離，適當(dāng)增加電感的溫度，保證其工作在最優(yōu)的狀態(tài)。在一些低壓大電流輸入的逆變器中，可以把功率MOSFET的散熱器貼在變壓器上，適當(dāng)增加變壓器的溫度，從而提高系統(tǒng)的效率。

4、選擇電感的形狀和封裝

根據(jù)成本和系統(tǒng)要求，可以選擇插腳或表貼的封裝。非屏蔽電感的成本低，漏磁大，有EMI問題；屏蔽電感的成本高，EMI性能好。繞線電感要考慮載流能力，也就是線徑和電流密度，以及交流集膚效應(yīng)，高頻大電流可以用多線并聯(lián)，利茲線和扁平銅帶，盡可能選用單層線圈。

附件：電感磁芯材料

電感磁芯材料有：鐵氧體、鐵鎳鉬合金粉MPP和鐵粉芯。

鐵氧體具有磁導(dǎo)率高的特點，磁導(dǎo)率在不同的磁通密度下基本保持不變，可以制做較大的電感值；而且它的飽和特性比較硬，就是飽和時，磁導(dǎo)率急劇的降低，電感值也快速的減小。

鐵鎳鉬合金粉MPP的電感在不同的磁通密度時，磁導(dǎo)率變化范圍大，損耗比鐵氧體大，需要在最大工作電流時校核電感值。BUCK電路的功率電感有較大的直流分量，使用這種材料，電感量隨著負(fù)載電流減小而增加，有利于在低負(fù)載電流時系統(tǒng)仍工作在連續(xù)模式。

鐵粉芯的飽和特性介于鐵氧體和MPP之間，磁導(dǎo)率最小，因此同樣的電感值，體積最大，但鐵粉芯的價格最便宜。

電感飽和電流的選擇，如上圖，問題雖然復(fù)雜，其實簡單的說，就是IC數(shù)據(jù)表OCP和電感飽和電流降額系數(shù)的選擇：OCP/IS=a，a取0.2，0.3，0.4，還是更高？