作者： Frederik Dostal，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
簡(jiǎn)介
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更高或更低的輸出電壓。為此，需要使用電感來(lái)暫時(shí)儲(chǔ)存電能。電感的尺寸取決于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率和流經(jīng)電路的預(yù)期電流。究竟應(yīng)如何正確選擇電感值？可以使用包含電感電流紋波的常用公式來(lái)確定電感值。在大部分開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊(cè)，以及大部分應(yīng)用筆記和其他說(shuō)明文本中，電感電流紋波建議在標(biāo)稱負(fù)載工作的30%。這意味著在標(biāo)稱負(fù)載電流下，電感電流波峰和電感電流波谷分別比平均電流高15%和低15%。為何選擇30%的電感電流紋波或電流紋波比(CR)可以說(shuō)是不錯(cuò)的折衷方案？
圖1.使用降壓轉(zhuǎn)換器時(shí)相應(yīng)的電感電流紋波。
對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，例如圖1所示的轉(zhuǎn)換器，公式1適用：
此公式基于電流紋波比CR計(jì)算降壓轉(zhuǎn)換器所需的電感值L。該比值一般指定為0.3，或30%峰峰紋波。在該公式中，D表示占空比，T表示周期時(shí)間，取決于各自的開(kāi)關(guān)頻率。
使用不同的電感電流紋波會(huì)怎么樣？
圖2.標(biāo)稱負(fù)載下，紋波電流比為30%的電感電流紋波（紅色）、小電感電流紋波（藍(lán)色）和大電感電流紋波（綠色）。
圖2中，紅色線條表示電路的電感電流紋波（電流紋波比(CR)為30%，輸出電流為3A。這是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路設(shè)計(jì)中常見(jiàn)的折衷選擇。藍(lán)色波形對(duì)應(yīng)的電感電流紋波為133%，綠色波形對(duì)應(yīng)的電感電流紋波為7%。
圖3.部分負(fù)載下，紋波電流比為30%的電感電流紋波（紅色）、小電感電流紋波（藍(lán)色）和大電感電流紋波（綠色）。
圖3顯示相同的電路以部分標(biāo)稱負(fù)載作為輸出電流（例如1A）運(yùn)行時(shí)的情況。在高電感電流紋波下，如圖3中的藍(lán)色波形所示，電感會(huì)在每個(gè)周期完全放電。這個(gè)模式稱之為斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)。在這種模式下，控制環(huán)路的穩(wěn)定性發(fā)生變化，可能產(chǎn)生更高的輸出電壓紋波。
所以需要采用一定的紋波電流比，以避免出現(xiàn)DCM。在紋波電流比為30%時(shí)，能得到不錯(cuò)的折衷結(jié)果。如果紋波電流比較低，即使在部分負(fù)載下，系統(tǒng)大部分時(shí)間也會(huì)在連續(xù)電流導(dǎo)通模式下運(yùn)行。所以，通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化，便可在該模式下運(yùn)行。
選擇的紋波電流比過(guò)高會(huì)怎么樣？
紋波電流比高于30%時(shí)，電感尺寸更小，成本更低。但是，峰值電流大幅增高，會(huì)產(chǎn)生大量電磁干擾(EMI)，遠(yuǎn)高于典型電路能夠接受的水平。此外，要使用連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，負(fù)載電流要達(dá)到更高。這還不是問(wèn)題，但是在這個(gè)模式下，其工作特性會(huì)發(fā)生改變，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，這一點(diǎn)必須考慮在內(nèi)。
此外，相較于較低的電感電流紋波，還會(huì)導(dǎo)致更高的輸出電壓。
選擇的紋波電流比過(guò)低會(huì)怎么樣？
紋波電流比低于30%時(shí)，電感尺寸更大，成本更高。因?yàn)閮?chǔ)能設(shè)備的尺寸很大，負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)更低一些。例如，在快速斷開(kāi)高負(fù)載電流時(shí)，電感中存儲(chǔ)的電能必須傳輸?shù)侥承┑胤�。這會(huì)導(dǎo)致輸出電容(COUT)兩端的電壓升高。電感中的電能越多，輸出電壓就越高。過(guò)壓可能會(huì)損壞供電電路。
在權(quán)衡不同的電感電流紋波比的優(yōu)缺點(diǎn)之后，我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于大部分應(yīng)用，約30%左右的電流紋波比更為合用。但是，在有些情況下，也可以有所偏離，只要結(jié)果可以接受。
關(guān)于ADI公司
Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過(guò)120億美元，全球員工2.4萬(wàn)余人。攜手全球12.5萬(wàn)家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。更多信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.analog.com/cn。
關(guān)于作者
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的電源管理專家。他曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國(guó)亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識(shí)，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國(guó)慕尼黑分公司工作。 |
