【導(dǎo)讀】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。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。
深入剖析電感電流――DC/DC 電路中電感的選擇
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。
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,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“low-side”)MOSFET接地。如果是后一種方式,轉(zhuǎn)換器就稱為“同步(synchronus)”方式。
現(xiàn)在再考慮一下在這兩個(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。上圖也稱為紋波電流。根據(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。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。