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對于一名硬件工程師來說，電感是常用的元器件，本文將重點分析電感在DC-DC設(shè)計中的運用。只有充分理解電感在DC/DC電路中發(fā)揮的作用，才能設(shè)計出優(yōu)秀的DC/DC電路。[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
在開關(guān)電源的設(shè)計中電感的設(shè)計為工程師帶來的許多的挑戰(zhàn)。我們不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機械尺寸等等。本文專注于解釋：電感上的DC電流效應。這也會為選擇合適的電感提供必要的信息。
理解電感的功能
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] 電感常常被理解為開關(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)計就必須更深入的了解電感的行為。在BUCK降壓轉(zhuǎn)換器中，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] ![]() [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖1 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] 在狀態(tài)1過程中，電感會通過（高邊 “high-side”）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過程中，電感連接到GND。由于使用了這類的控制器，可以采用兩種方式實現(xiàn)電感接地：通過二極管接地或通過（低邊“l(fā)ow-side”）MOSFET接地。如果是后一種方式，轉(zhuǎn)換器就稱為“同步（synchronus）”方式。[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]現(xiàn)在再考慮一下在這兩個狀態(tài)下流過電感的電流是如果變化的。在狀態(tài)1過程中，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。相反，在狀態(tài)2過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必然為正端，因此會在電感上形成負向的壓降。我們利用電感上電壓計算公式：V=L(dI/dt)買元器件現(xiàn)貨上唯樣商城！ [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]因此，當電感上的電壓為正時（狀態(tài)1），電感上的電流就會增加；當電感上的電壓為負時（狀態(tài)2），電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖2所示： [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] ![]() [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]圖2 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]通過上圖我們可以看到，流過電感的最大電流為DC電流加開關(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，我們可以計算出峰值電流： [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] ![]()
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]其中，ton是狀態(tài)1的時間，T是開關(guān)周期（開關(guān)頻率的倒數(shù)），DC為狀態(tài)1的占空比。 [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]注意：上面的計算是假設(shè)各元器件（MOSFET上的導通壓降，電感的導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算：
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] ![]() [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)] ![]() [color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]
[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]其中，Rs為感應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導通電阻，R=Rs+Rm。
電感磁芯的飽和度
通過已經(jīng)計算的電感峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會知道，隨著通過電感的電流增加，它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少就很重要了：如果電感量減小很多，轉(zhuǎn)換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感失效的程度，此時的電流稱為“飽和電流”，這也是電感的基本參數(shù)。
實際上，轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會有一個“軟”飽和度。要了解這個概念可以觀察實際測量的電感Vs DC電流的曲線：
當電流增加到一定程度后，電感量就不會急劇下降了，這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加，電感就會損壞了。
有了這個軟飽和的特性，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嚴重影響電感量。在所有的應用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什么大家總是很關(guān)心DC輸出電流下的電感量的原因。
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發(fā)表于 2024-4-22 08:33:58
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