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DC/DC 电路中电感的选择

宣布时间:2011年07月21日 09:07    宣布者:j_z428
要害词: DC , 电感
开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的寻衅。工程师不只需选择电感值,还要推敲电感可遭受的电流,绕线电阻,机械尺寸等等。本文专注于诠释:电感上的DC 电流效应。这也会为选择合适的电感供应须要的信息。
明确电感的功效

电感经常被明确为开关电源输入端中的LC 滤波电路中的L(C 是其中的输入电容)。虽然这样明确是准确的,然则为了明确电感的设计就必须更深刻的明确电感的行动。在降压转换中(Fairchild 尺度的开关控制器),电感的一端是毗连到DC 输入电压。此外一端经由历程开关频率切换毗连到输入电压或GND。

在状态1 历程当中,电感会经由历程(高边 “high-side”)MOSFET 毗连到输入电压。在状态2 历程当中,电感毗连到GND。由于应用了这类的控制器,可以接纳两种要领完成电感接地:经由历程二极管接地或经由历程(低边“low-side”)MOSFET 接地。假定是后一种要领,转换器就称为“同步(synchronus)”要领。

现在再推敲一下在这两个状态下游过电感的电流是假定变换的。在状态1 历程当中,电感的一端毗连到输入电压,此外一端毗连到输入电压。关于一个降压转换器,输入电压必须比输入电压高,是以会在电感上组成正向压降。相反,在状态2 历程当中,原来毗连到输入电压的电感一端被毗连到地。关于一个降压转换器,输入电压一定为正端,是以会在电感上组成负向的压降。

我们应用电感上电压盘算公式:

V=L(dI/dt)

是以,当电感上的电压为正时(状态1),电感上的电流就会增添;当电感上的电压为负时(状态2),电感上的电流就会减小。经由历程电感的电流如图2 所示:

经由历程上图我们可以看到,流过电感的最年夜电流为DC 电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。凭证上述的公式,我们可以盘算出峰值电流:

其中,ton 是状态1 的时间,T 是开关周期(开关频率的倒数),DC 为状态1 的占空比。

正告:下面的盘算是假定各元器件(MOSFET 上的导通压降,电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降)上的压降较量输入和输入电压是可以忽视的。

假定,器件的降低弗成忽视,就要用以下公式作准确盘算:

同步转换电路:

异步转换电路:

其中,Rs 为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf 是肖特基二极管的正向压降。R 是Rs加MOSFET 导通电阻,R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

经由历程曾经盘算的电感峰值电流,我们可以发现电感上发生了甚么。很容易会知道,随着经由历程电感的电流增添,它的电感量会减小。这是由于磁芯质料的物理特点决议的。电感量会增添若干就很主要了:假定电感量减小许多,转换器就不会正常使命了。当经由历程电感的电流年夜到电感实效的水平,此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感的基本参数。

现实上,转换电路中的开关功率电感总会有一个“软”饱和度。要明确这个看法可以不雅不雅察现实丈量的电感Vs DC 电流的曲线:

当电流增添到一定水平后,电感量就不会急剧降低了,这就称为“软”饱和特点。假定电流再增添,电感就会破损了。

重视:电感量降低在许多类的电感中都邑存在。例如:toroids,gapped E-cores 等。然则,rodcore 电感就不会有这类变换。

有了这个软饱和的特点,我们便可以知道在所有的转换器中为甚么都邑划定在DC 输入电流下的最小电感量;而且由于纹波电流的变换也不会严重影响电感量。在所有的应用中都欲望纹波电流尽能够的小,由于它会影响输入电压的纹波。这也就是为甚么年夜家总是很眷注DC 输入电流下的电感量,而会在Spec 中忽视纹波电流下的电感量。

为开关电源选择合适的电感

电感是开关电源中经常应用的元件,由于它的电流、电压相位不合,以是现实上消耗 为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波和输入滤波电路上,用来腻滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有“很年夜的惯性”。换句 话说,由于磁通一连特点,电感上的电流必须是一连的,否则将会发生很年夜的电压尖峰。

电感为磁性元件,自然有磁饱和的效果。有的应用允许电感饱和,有的应用允许电感从一定电流值泉源进入饱和,也有的应用禁绝可电感泛起饱和,这要 求在详细线路中阻拦分辨。年夜多数情形下,电感使命在“线性区”,此时电感值为一常数,不随着端电压与电流而变换。然则,开关电源存在一个弗成忽视的效果, 即电感的绕线将招致两个漫衍参数(或寄生参数),一个是弗成防止的绕线电阻,此外一个是与绕制工艺、质料有关的漫衍式杂散电容。

杂散电容在低频时影响不年夜, 但随频率的前进而渐显出来,当频率高到某个值以上时,电感或许酿成电容特点了。假定将杂散电容“集”为一个电容,则从电感的等效电路可以看出在某一频率 后所泛起的电容特点。

当剖析电感在线路中的使命状态或许绘制电压电流波形图时,无妨推敲下面几个特点:

1. 当电感L 中有电流I 流过时,电感贮存的能量为:

E=0.5×L×I2 (1)

2. 在一个开关周期中,电感电流的变换(纹波电流峰峰值)与电感两头电压的关系为:

V=(L×di)/dt (2)

由此可看出,纹波电流的年夜小跟电感值有关。

3. 就像电容有充、放电电流一样,电感器也有充、放电电压历程。电容上的电压与电流的积分(安·秒)成正比,电感上的电流与电压的积分(伏·秒)成正比。只需电感电压变换,电流变换率di/dt 也将变换;正向电压使电流线性上升,反向电压使电流线性降低。

盘算出准确的电感值对选用合适的电感和输入电容以取得最小的输入电压纹波而言异常主要。

从图1 可以看出,流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种重量组成,由于交流重量具有较高的频率,以是它会经由历程输入电容流上天,发生照顾的输入纹波电压dv=di×RESR。

这个纹波电压应尽能够低,以阻拦影响电源系统的正常操作,浅易请求峰峰值为10mV~500mV。

图1:开关电源中电感电流。

纹波电流的年夜小异常会影响电感器和输入电容的尺寸,纹波电流通俗设定为最年夜输入电流的10%~30%,是以对降压型电源来讲,流过电感的电流峰值比电源输入电流年夜5%~15%。

降压型开关电源的电感选择

为降压型开关电源选择电感器时,须要一定最年夜输入电压、输入电压、电源开关频率、最年夜纹波电流、占空比。下面以图2 为例诠释降压型开关电源电感值的盘算,首先假定开关频率为300kHz、输入电压规模12V±10%、输入电流为1A、最年夜纹波电流300mA。

图2:降压型开关电源的电路图

最年夜输入电压值为13.2V,对应的占空比为:

D=Vo/Vi=5/13.2=0.379 (3)

其中,Vo 为输入电压、Vi 为输入电压。当开关管导通时,电感器上的电压为:

V=Vi-Vo=8.2V (4)

当开关管关断时,电感器上的电压为:

V=-Vo-Vd=-5.3V (5)

dt=D/F (6)

把公式2/3/6 代入公式2 得出:

升压型开关电源的电感选择

关于升压型开关电源的电感值盘算,除占空比与电感电压的关系式有所改变外,其它历程跟降压型开关电源的盘算要领一样。以图3 为例阻拦盘算,假 设开关频率为300kHz、输入电压规模5V±10%、输入电流为500mA、效力为80%,则最年夜纹波电流为450mA,对应的
占空比为:

D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542 (7)

图3:升压型开关电源的电路图。

当开关管导通时,电感器上的电压为:

V=Vi=5.5V (8)

当开关管关断时,电感器上的电压为:

V=Vo+Vd-Vi=6.8V (9)

把公式6/7/8 代入公式2 得出:

请重视,升压电源与降压电源不合,前者的负载电流着实不是一直由电感电流供应。当开关管导通时,电感电流经由开关管流上天,而负载电流由输入电容 供应,是以输入电容必须有足够年夜的储能容量来供应这一时代负载所需的电流。但在开关管关断时代,流经电感的电流除供应给负载,还给输入电容充电。

浅易而言,电感值变年夜,输入纹波会变小,但电源的静态照顾也会照顾变差,以是电感值的拔取可以凭证电路的详细应用请求来调剂以到达最理想效果。 开关频率的前进可让电感值变小,从而让电感的物理尺寸变小,节俭电路板空间,是以现在的开关电源有往高频生长的趋势,以顺应电子产物的体积愈来愈小的要 求有了下面临电感的熟悉,下面就作开关电源的剖析与应用:

楞次定律相关内容: 在直流供电的时间,由于线圈的自感作用,线圈将发生一个自感电动势,此电动势将误差线圈电流的增添,以是在通电的一瞬间,电路电流可以以为是0,此时电路所有压降全落在线圈上,然后电流迟缓增添,线圈端电压迟缓降低直到为零,暂态历程阻拦在转换器的开关运转中,必须保证电感不处在饱和状态,以确保高效力的能量存储和转达。饱和电感在电路中分歧于一个直通DC 通路,故不克不及存储能量,也就会使开关形式转换器的所有设计初衷中途而废。在转换器的开关频率曾经确准时,与之协同使命的电感必须足够年夜,而且不克不及饱和。

开关电源中的电感一定:开关频率低,由于开和关的时间都较量长,是以为了输入不一连的须要,须要把电感值加年夜点,如允许让电感可以存储更多的磁场能量。同时,由于每次开关较量长,能量的填补更新没有如频率高时的那样实时,从而电流也就会相对的小点。

这个原理也能够或许用公式来诠释:L=(dt/di)*uL

D=Vo/Vi,降压型占空比 D= 1- Vi/Vo,升压型占空比
dt=D/F ,F=开关频率
di=电流纹波

以是得 L=D*uL /(F*di),当F 开关频率低时,就须要L 年夜一点;赞成当L 设年夜时,其他稳固情形下,则纹波电流di 就会相对减小在高的开关频率下,加年夜电感会使电感的阻抗变年夜,增添功率消耗,使效力降低。同时,在频率稳固条件下,浅易而言,电感值变年夜,输入纹波会变小,但电源的静态照顾(负载功耗有时年夜有时小,在年夜小变换之间照顾慢)也会照顾变差,以是电感值的拔取可以凭证电路的详细应用请求来调剂以到达最理想效果

效果:

电感啸叫:

基本理念是听觉规模内的谐波才会被听到.然则浅易开关电源开关频率只需不在20K规模内,其谐波含量均不会惹起较年夜噪声.然则这个现实是基于开关电源开关频率较量稳固的情形下. 以是说,假定开关电源占空比不稳固,其发生的谐波就有能够在20K 以内而且幅度较年夜,这样便可以惹起听觉效应.

处置赏罚赏罚措施有两个:一、从基本处置赏罚赏罚,占空比的不稳固浅易是控制环路的小旌旗暗记被噪声滋扰.DC/DC 的占空比须要调治到很稳固;2、假定是电感响,也有能够是磁芯的磁滞伸缩惹起的.可对电感浸胶.
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zhshm59 揭晓于 2014-12-5 04:16:01
适用
神聖的阿簡 揭晓于 2018-6-18 20:04:52
扎实
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