开关电源中电感的选择

什么是电感? 及电感特性

电感是开关电源中常用的元件,由于其电流、电压相位不同,理论上损耗为零。 电感始终是存储元件,与电容器一起用于输入滤波器和输出滤波器电路,使电流平滑化。 电感又称扼流圈,其特征是流过的电流具有“大的惯性”。 换句话说,因为磁通量的连续性,电感上的电流必须是连续的。 电压峰值变大。

电感是磁元件,当然存在磁饱和的问题。 电感饱和是可以接受的,而在一些应用中,电感可以从某一电流值饱和并且在某些应用中,电感可以不饱和并且必须与具体布线区分。 在大多数情况下,电感作用于“线性区域”,但是在这种情况下,电感值恒定,不会因端子电压和电流而变化。 然而,开关电源存在不容忽视的问题。 即,感应线圈引起两个分布参数(或寄生参数),一个引起不可避免的线圈电阻,另一个引起线圈工艺,引起与材料相关的分散杂散电容。 浮置电容在低频下不动作,但随着频率的增加而逐渐出现,当频率成为某一值以上时,电感成为电容特性。 当浮置电容集中于一个电容时,从电感等效电路可知出现在某一频率上的电容特性。

分析线路中电感的动作状况或制作电压、电流波形图时,请考虑以下特征

1 .当电流I流过电感器l时,电感器蓄积能量如下

E=0.5×L×I2 (1)

2 .开关周期中的电感电流的变化( 纹波电流峰值)与电感两端电压的关系如下

V=(L×di)/dt (2)

因此,550~555的电流幅度与电感值有关。

3 .为了使电容器具有充放电电流,电感器也有充放电电压的过程。 电容器的电压与电流的积分( as )成比例,电感的电流与电压的积分( vs )成比例。 电感电压变化时,电流变化率di/dt也变化,正向电压使电流直线上升,反向电压使电流直线下降。

计算正确的电感值对于选择用于获得最小输出电压550至555的适当电感和输出电容至关重要。

如从图1可知,流过开关电源的电感器的电流由交流电和直流电两个成分构成,交流电的成分具有高频率。 结果,经由输出电容器流入地,并且在对应的输出550至555处产生电压dv=di×RESR。 尽量降低该纹波的电压,为了不影响电源系统的正常工作,一般要求峰值为10mV~500mV。

图1 :开关电源的感应电流。

纹波电流的大小也影响电感器和输出电容器的大小,纹波电流一般设定为最大输出电流的10%~30%,因此在降压型电源中,电感器中流过的电流的峰值比电源输出电流大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,需要决定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。 以下,以图2为例说明降压型开关电源的电感值的计算,首先假设开关频率为300kHz、输入电压范围为12V±10%、输出电流为1A、最大纹波电流为300mA。

图2 :降压型开关电源的电路图。

最大输入电压值为13.2V,对应的占空比如下所示

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

其中,Vo是输出电压,Vi是输出电压。 打开开关管后,电感器的电压如下所示

V=Vi-Vo=8.2V (4)

开关管断开时,电感器的电压如下所示

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

dt=D/F (6)

在式2中代入式2/3/6时

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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的计算,除了占空比和电感电压的关系式发生变化以外,与降压型开关电源的计算方式相同。 如果以图3为例进行计算,设开关频率为300kHz、输入电压范围为5V±10%、输出电流为500mA、效率为80%,则最大纹波电流为450mA,与占空比对应

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

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图3 :升压型开关电源的电路图。

打开开关管后,电感器的电压如下所示

V=Vi=5.5V (8)

开关管断开时,电感器的电压如下所示

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

在式2中代入式6/7/8时

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请注意,升压电源和降压电源不同,前者的负载电流并非始终以电感电流供给。 当开关导通时,感应电流经由开关管接地,并且从输出电容器供应负载电流。 因此,对于输出电容器,需要足以在其间供给负载所需的电流的存储电容器。 但是,开关管断开时,不仅负载中流过电感器的电流,输出电容器也会充电。

电感值的选择通常为高输出550到555,然而功率的动态响应也相应地减小,并且根据电路的特定应用要求来调节电感值的选择以实现最佳效果。 满足了开关频率的提高导致电感值减小、电感物理尺寸减小、电路板空间节约、当前开关电源高频发展、电子产品体积越来越小的要求。