（DC-DC）電感電流“三兄弟”，極限條件來學(xué)習(xí)
[導(dǎo)讀]出品?21ic論壇??火星國務(wù)卿網(wǎng)站：bbs.21ic.com在上次的DC-DC轉(zhuǎn)換原理中介紹到磁性元器件電感，電感在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中的地位十分重要，想要完美的設(shè)計(jì)DC-DC電路，肯定要對(duì)電感的電流特性以及相關(guān)定義非常熟悉，下面我們就一起學(xué)習(xí)電感中一些重要的電流參數(shù)！我也是一...
出品?21ic論壇? ?火星國務(wù)卿
網(wǎng)站：bbs.21ic.com在上次的DC-DC轉(zhuǎn)換原理中介紹到磁性元器件電感，電感在DC-DC轉(zhuǎn)換電路中的地位十分重要，想要完美的設(shè)計(jì)DC-DC電路，肯定要對(duì)電感的電流特性以及相關(guān)定義非常熟悉，下面我們就一起學(xué)習(xí)電感中一些重要的電流參數(shù)！
我也是一邊學(xué)習(xí)，一邊跟大家分享我的學(xué)習(xí)成果，所以還是那句話，本人水平有限，如果有哪里講的不對(duì)的地方還請(qǐng)各位看官大佬及時(shí)指正，互相學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步！
那我們言歸正傳，首先，電感在DC-DC電路中應(yīng)用時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)拓?fù)涠际菚?huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，也就是電感的在周期內(nèi)的電流增量等于電流減量△I_ON=△I_OFF。
它在電路中的電流表現(xiàn)就如下圖所示：
由圖可見：電感在動(dòng)態(tài)平衡的電流波形中，引出三個(gè)重要的電流參數(shù)定義：
交流電流??直流電流??峰值電流?三兄弟，理解這三個(gè)電流參數(shù)意義重大。
交流分量電流：I_AC=△I/2 這里的△I也就是電感在充電，放電過程中的電流增減量，也就是圖中電流的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，交流分量電流也就是△I的一半，當(dāng)然電感只有在電流不斷變化的過程中才會(huì)產(chǎn)生感生電壓，法拉第電磁定律相信大家都并不陌生。
直流分量電流:I_DC也就是平均電感電流，也是圖中的I_L該電流值與負(fù)載電流I_O的關(guān)系，在上次DC-DC的轉(zhuǎn)換原理中也做了介紹，在這需要特別注意的是（I_DC=I_O，降壓電路）。（I_DC=I_O/(1-D)升壓電路,升降壓電路）。這里可能有小伙伴會(huì)問，為什么這三種電路的電感平均電流與負(fù)載電流的關(guān)系式有區(qū)別呢？這個(gè)其實(shí)很簡單，是由于電感在電路中的位置所決定的，可以回過頭三種轉(zhuǎn)換電路的電路圖，你就很輕松的理解了。
峰值電流：I_pk=I_DC I_AC 電感的峰值電流也就是直流分量與交流分量的疊加值，這個(gè)時(shí)候你可能會(huì)問？這個(gè)峰值電流有什么意義呢？對(duì)我們的設(shè)計(jì)有什么影響？
很顯然，峰值電流對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)意義重大，參與設(shè)計(jì)的小伙伴都知道，極限值在我們電路設(shè)計(jì)中占有極具重要的意義，電感的峰值電流大小不僅影響著你前端開關(guān)管的極限能力，而且影響電感的磁場(chǎng)強(qiáng)度，沒有用過電感的小伙伴可能不知道，電感的峰值電流跟磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)系，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于某個(gè)值時(shí)，電感會(huì)飽和，電感如果一旦飽和的話，就失去了對(duì)電流的限制作用，所以峰值電流這個(gè)參數(shù)相當(dāng)重要，我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中要確保電感不會(huì)發(fā)生飽和。
寫到這里不用我說，也肯定會(huì)有小伙伴們開始發(fā)問了？我們?cè)趯?shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中？怎么考慮這些極限條件？換句話說，什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這些極限條件呢？
我們馬上開始分析一下，相信大家都知道，在我們實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入電壓基本上不會(huì)是一個(gè)定值，它肯定是一個(gè)范圍值，那么我們肯定要在這個(gè)輸入電壓的范圍內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的極限電感相關(guān)參數(shù)，也就是說我們需要分析一下在輸入電壓最小或者最大這兩個(gè)極限值的情況下，那電感的交流電流 直流電流 峰值電流?這三兄弟都是怎樣隨之變化的呢?
我們以下面的圖為例來進(jìn)行分析：
降壓：首先我們?cè)诒ＷC輸出電壓輸出電流都不變的情況下升高輸入電壓的話，那接下來會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化呢？
從上圖中我們可以看出，升高了輸入電壓后，電感電流上升沿的斜率變大了，電感的直流分量沒有變化，峰值電流提高了，為了理解為什么會(huì)有這樣的變化，我們從公式以及原理上面來進(jìn)行分析，這里應(yīng)用到一個(gè)之前講過的重要的公式：V=L*△I/△t?推導(dǎo)出電流與電壓時(shí)間的公式：
△I=V*△t/L?那不管是電流上升還是下降，這條線的斜率就是V/L同時(shí)也等于△I/t
上升沿：輸入電壓升高那么也就是VON/L增大，所以斜率變大。
下降沿：輸出電壓不變，即VOFF/L沒有變化，也就是斜率沒有發(fā)生變化。
但是輸入電壓升高之后，輸出電壓不變的話，那么變換器肯定要調(diào)節(jié)減小占空比，這時(shí)候有可能一些小伙伴可能不理解這是為什么？其實(shí)很簡單一個(gè)高電壓跟一個(gè)低電壓，降到一個(gè)同樣的電壓值的話，那肯定是高電壓的情況電感放電時(shí)時(shí)間會(huì)長一點(diǎn)，也就是t_OFF的時(shí)間會(huì)變大，上面講到斜率就是V/L同時(shí)也等于△I/t，V_OFF/L=△I/t_OFF V_OFF沒有變化，L沒有變化，那就說明△I/t_OFF沒有變化，而t_OFF是增大了，那△I必然會(huì)成比例增加，至此就公式跟原理完美的跟上圖中電感的電流變化相吻合了，這里講解的非常的細(xì)致，對(duì)于初學(xué)者來說理解起來相當(dāng)?shù)娜菀琢恕?/p>
那么總結(jié)一下：對(duì)于降壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量并不會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)樨?fù)載沒有發(fā)生變化（I_DC=I_O）。
增加輸入電壓電感的交流分量△I變大。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，那峰值電流也會(huì)增大。
升降壓：
對(duì)于升降壓電路其實(shí)也是一樣的原理，當(dāng)然討論前提也是輸出電壓不變，輸出電流不變，輸入電壓升高之后，為了維持之前輸出電壓，占空比肯定會(huì)降低，t_OFF增加，V_OFF/L不變，V_OFF/L=△I/t_OFF 綜合推斷，△I肯定也會(huì)增加。直流分量在上次介紹DC-DC轉(zhuǎn)換原理的文章里我們知道I_DC＝I_O/（1－D）那占空比降低了的話，別忘記了我們的前提條件是負(fù)載電流不發(fā)生變化，那這樣的話，I_DC肯定要隨著占空比的減小而減小。
對(duì)于峰值電流直流分量的減少量要比交流分量的增加量要多，所以峰值電流變化結(jié)果與直流分量變化結(jié)果一致。
那么同樣的總結(jié)下來就是：對(duì)于升降壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量會(huì)減小。
增加輸入電壓電感的交流分量△I變大。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，直流變化占主導(dǎo)，峰值電流減小。
升壓：同樣的情況，輸入電壓的升高會(huì)導(dǎo)致占空比減小，同樣的公式V_OFF/L=△I/t_OFF
那么占空比減小的話，t_OFF肯定會(huì)增加，V_OFF=（VO-VIN）VIN增加，整體值會(huì)減小，t_OFF如果增加的話，如果△I減小，最終結(jié)果是減小，但如果△I是增加，但它增加的速度比t_OFF增加的幅度小的話，最終結(jié)果也是整體值減小了。這兩種情況都有可能發(fā)生。
據(jù)調(diào)查相關(guān)資料指出：當(dāng)占空比小于和大于0.5時(shí)，△I分別對(duì)應(yīng)增加和減小。這里涉及很復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，樓主能力有限，小伙伴們自行查閱吧,哈哈。直流分量變化與升降壓原理相同，不再重復(fù)分析。
那么同樣的總結(jié)下來就是：對(duì)于升壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量會(huì)減小。
增加輸入電壓電感的交流分量△I有可能變大，也有可能變小。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，直流分量變化占主導(dǎo)，峰值電流減小。
電感的相關(guān)電流變化，大家可以參閱下面的模擬圖：
至此，完成了對(duì)電感相關(guān)電流參數(shù)的簡介，最終我們得出的結(jié)論是：
1.??降壓拓?fù)湓谶M(jìn)行電感設(shè)計(jì)時(shí)，從極限條件輸入電壓最大來進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.??升壓，升降壓拓?fù)潆娐冯姼性O(shè)計(jì)時(shí)，從極限條件輸入電壓最小來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
不知道有沒有將交流電流 直流電流 峰值電流三兄弟以及極限情況考慮給大家解釋清楚，總而言之，我們只有充分理解這三個(gè)參數(shù)并理解在哪些極限條件下應(yīng)用這三個(gè)參數(shù)來進(jìn)行拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出合理安全可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以上是我個(gè)人的一些淺顯的理解，目的在于跟大家一起分享學(xué)習(xí)成功，希望能與大家一起共同進(jìn)步，特注：本人水平有限，如果有不合理的地方希望各位大佬幫忙指正，萬分感謝。
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我也是一邊學(xué)習(xí)，一邊跟大家分享我的學(xué)習(xí)成果，所以還是那句話，本人水平有限，如果有哪里講的不對(duì)的地方還請(qǐng)各位看官大佬及時(shí)指正，互相學(xué)習(xí)，共同進(jìn)步！
那我們言歸正傳，首先，電感在DC-DC電路中應(yīng)用時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)拓?fù)涠际菚?huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，也就是電感的在周期內(nèi)的電流增量等于電流減量△I_ON=△I_OFF。
它在電路中的電流表現(xiàn)就如下圖所示：
由圖可見：電感在動(dòng)態(tài)平衡的電流波形中，引出三個(gè)重要的電流參數(shù)定義：
交流電流??直流電流??峰值電流?三兄弟，理解這三個(gè)電流參數(shù)意義重大。
交流分量電流：I_AC=△I/2 這里的△I也就是電感在充電，放電過程中的電流增減量，也就是圖中電流的最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的差值，交流分量電流也就是△I的一半，當(dāng)然電感只有在電流不斷變化的過程中才會(huì)產(chǎn)生感生電壓，法拉第電磁定律相信大家都并不陌生。
直流分量電流:I_DC也就是平均電感電流，也是圖中的I_L該電流值與負(fù)載電流I_O的關(guān)系，在上次DC-DC的轉(zhuǎn)換原理中也做了介紹，在這需要特別注意的是（I_DC=I_O，降壓電路）。（I_DC=I_O/(1-D)升壓電路,升降壓電路）。這里可能有小伙伴會(huì)問，為什么這三種電路的電感平均電流與負(fù)載電流的關(guān)系式有區(qū)別呢？這個(gè)其實(shí)很簡單，是由于電感在電路中的位置所決定的，可以回過頭三種轉(zhuǎn)換電路的電路圖，你就很輕松的理解了。
峰值電流：I_pk=I_DC I_AC 電感的峰值電流也就是直流分量與交流分量的疊加值，這個(gè)時(shí)候你可能會(huì)問？這個(gè)峰值電流有什么意義呢？對(duì)我們的設(shè)計(jì)有什么影響？
很顯然，峰值電流對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)意義重大，參與設(shè)計(jì)的小伙伴都知道，極限值在我們電路設(shè)計(jì)中占有極具重要的意義，電感的峰值電流大小不僅影響著你前端開關(guān)管的極限能力，而且影響電感的磁場(chǎng)強(qiáng)度，沒有用過電感的小伙伴可能不知道，電感的峰值電流跟磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)系，當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度高于某個(gè)值時(shí)，電感會(huì)飽和，電感如果一旦飽和的話，就失去了對(duì)電流的限制作用，所以峰值電流這個(gè)參數(shù)相當(dāng)重要，我們?cè)趯?shí)際的應(yīng)用中要確保電感不會(huì)發(fā)生飽和。
寫到這里不用我說，也肯定會(huì)有小伙伴們開始發(fā)問了？我們?cè)趯?shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中？怎么考慮這些極限條件？換句話說，什么時(shí)候會(huì)出現(xiàn)這些極限條件呢？
我們馬上開始分析一下，相信大家都知道，在我們實(shí)際的設(shè)計(jì)當(dāng)中，輸入電壓基本上不會(huì)是一個(gè)定值，它肯定是一個(gè)范圍值，那么我們肯定要在這個(gè)輸入電壓的范圍內(nèi)找到對(duì)應(yīng)的極限電感相關(guān)參數(shù)，也就是說我們需要分析一下在輸入電壓最小或者最大這兩個(gè)極限值的情況下，那電感的交流電流 直流電流 峰值電流?這三兄弟都是怎樣隨之變化的呢?
我們以下面的圖為例來進(jìn)行分析：
降壓：首先我們?cè)诒ＷC輸出電壓輸出電流都不變的情況下升高輸入電壓的話，那接下來會(huì)產(chǎn)生怎樣的變化呢？
從上圖中我們可以看出，升高了輸入電壓后，電感電流上升沿的斜率變大了，電感的直流分量沒有變化，峰值電流提高了，為了理解為什么會(huì)有這樣的變化，我們從公式以及原理上面來進(jìn)行分析，這里應(yīng)用到一個(gè)之前講過的重要的公式：V=L*△I/△t?推導(dǎo)出電流與電壓時(shí)間的公式：
△I=V*△t/L?那不管是電流上升還是下降，這條線的斜率就是V/L同時(shí)也等于△I/t
上升沿：輸入電壓升高那么也就是VON/L增大，所以斜率變大。
下降沿：輸出電壓不變，即VOFF/L沒有變化，也就是斜率沒有發(fā)生變化。
但是輸入電壓升高之后，輸出電壓不變的話，那么變換器肯定要調(diào)節(jié)減小占空比，這時(shí)候有可能一些小伙伴可能不理解這是為什么？其實(shí)很簡單一個(gè)高電壓跟一個(gè)低電壓，降到一個(gè)同樣的電壓值的話，那肯定是高電壓的情況電感放電時(shí)時(shí)間會(huì)長一點(diǎn)，也就是t_OFF的時(shí)間會(huì)變大，上面講到斜率就是V/L同時(shí)也等于△I/t，V_OFF/L=△I/t_OFF V_OFF沒有變化，L沒有變化，那就說明△I/t_OFF沒有變化，而t_OFF是增大了，那△I必然會(huì)成比例增加，至此就公式跟原理完美的跟上圖中電感的電流變化相吻合了，這里講解的非常的細(xì)致，對(duì)于初學(xué)者來說理解起來相當(dāng)?shù)娜菀琢恕?/p>
那么總結(jié)一下：對(duì)于降壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量并不會(huì)發(fā)生改變，因?yàn)樨?fù)載沒有發(fā)生變化（I_DC=I_O）。
增加輸入電壓電感的交流分量△I變大。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，那峰值電流也會(huì)增大。
升降壓：
對(duì)于升降壓電路其實(shí)也是一樣的原理，當(dāng)然討論前提也是輸出電壓不變，輸出電流不變，輸入電壓升高之后，為了維持之前輸出電壓，占空比肯定會(huì)降低，t_OFF增加，V_OFF/L不變，V_OFF/L=△I/t_OFF 綜合推斷，△I肯定也會(huì)增加。直流分量在上次介紹DC-DC轉(zhuǎn)換原理的文章里我們知道I_DC＝I_O/（1－D）那占空比降低了的話，別忘記了我們的前提條件是負(fù)載電流不發(fā)生變化，那這樣的話，I_DC肯定要隨著占空比的減小而減小。
對(duì)于峰值電流直流分量的減少量要比交流分量的增加量要多，所以峰值電流變化結(jié)果與直流分量變化結(jié)果一致。
那么同樣的總結(jié)下來就是：對(duì)于升降壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量會(huì)減小。
增加輸入電壓電感的交流分量△I變大。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，直流變化占主導(dǎo)，峰值電流減小。
升壓：同樣的情況，輸入電壓的升高會(huì)導(dǎo)致占空比減小，同樣的公式V_OFF/L=△I/t_OFF
那么占空比減小的話，t_OFF肯定會(huì)增加，V_OFF=（VO-VIN）VIN增加，整體值會(huì)減小，t_OFF如果增加的話，如果△I減小，最終結(jié)果是減小，但如果△I是增加，但它增加的速度比t_OFF增加的幅度小的話，最終結(jié)果也是整體值減小了。這兩種情況都有可能發(fā)生。
據(jù)調(diào)查相關(guān)資料指出：當(dāng)占空比小于和大于0.5時(shí)，△I分別對(duì)應(yīng)增加和減小。這里涉及很復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，樓主能力有限，小伙伴們自行查閱吧,哈哈。直流分量變化與升降壓原理相同，不再重復(fù)分析。
那么同樣的總結(jié)下來就是：對(duì)于升壓變換器來講：
增加輸入電壓電感的直流分量會(huì)減小。
增加輸入電壓電感的交流分量△I有可能變大，也有可能變小。
增加輸入電壓電感的峰值電流等于直流分量與交流分量的和，直流分量變化占主導(dǎo)，峰值電流減小。
電感的相關(guān)電流變化，大家可以參閱下面的模擬圖：
至此，完成了對(duì)電感相關(guān)電流參數(shù)的簡介，最終我們得出的結(jié)論是：
1.??降壓拓?fù)湓谶M(jìn)行電感設(shè)計(jì)時(shí)，從極限條件輸入電壓最大來進(jìn)行設(shè)計(jì)。2.??升壓，升降壓拓?fù)潆娐冯姼性O(shè)計(jì)時(shí)，從極限條件輸入電壓最小來進(jìn)行設(shè)計(jì)。
不知道有沒有將交流電流 直流電流 峰值電流三兄弟以及極限情況考慮給大家解釋清楚，總而言之，我們只有充分理解這三個(gè)參數(shù)并理解在哪些極限條件下應(yīng)用這三個(gè)參數(shù)來進(jìn)行拓?fù)潆娐吩O(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出合理安全可靠的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以上是我個(gè)人的一些淺顯的理解，目的在于跟大家一起分享學(xué)習(xí)成功，希望能與大家一起共同進(jìn)步，特注：本人水平有限，如果有不合理的地方希望各位大佬幫忙指正，萬分感謝。
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