深入剖析電感電流DCDC電路中電感的選擇(000002)

1、深入剖析電感電流DC/DC 電路中電感的選擇轉(zhuǎn)自：原文：Fairchild Semiconductor AB-12： Insight into Inductor Current 下載翻譯：frm（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(shè)計(jì)DC/DC電路。本文還包括對(duì)同步DC/DC及異步DC/DC概念的解釋。）本文PDF文檔下載 簡(jiǎn)介在開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)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(zhuān)注于解釋?zhuān)弘姼猩系腄C電流效應(yīng)。這也會(huì)為選擇合適的電感提供必要的信息。理解電感的

2、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(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(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(xiàn)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(zhuǎn)換器就稱(chēng)為“同步（synchronus）”方式?，F(xiàn)在再考

3、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(duì)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(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(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必然為正端，因此會(huì)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：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(huì)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(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

4、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(kāi)關(guān)周期（開(kāi)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(duì)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(guò)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(huì)知道，隨著通過(guò)電感的電流增加，它的電感量會(huì)減小

5、。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(zhuǎn)換器就不會(huì)正常工作了。當(dāng)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(shù)。實(shí)際上，轉(zhuǎn)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)概念可以觀察實(shí)際測(cè)量的電感Vs DC電流的曲線：當(dāng)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，gapped E-cores等。但是，rod core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(zhuǎn)換器中為什么都會(huì)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(huì)嚴(yán)重影響電感