開關電源中電感的選擇技巧

開關電源中電感的選擇

什么是電感？ 及電感特性

電感是開關電源中常用的元件，由于其電流、電壓相位不同，理論上損耗為零。 電感始終是存儲元件，和電容器一起用于輸入濾波器和輸出濾波器電路，使電流平滑化。 電感又稱扼流圈，其特征是流過的電流具有“大的慣性”。 換句話說，因為磁通量的連續性，電感上的電流必須是連續的。 電壓峰值變大。

電感是磁元件，當然存在磁飽和的問題。 電感飽和是可以接受的，而在一些應用中，電感可以從某一電流值飽和并且在某些應用中，電感可以不飽和并且必須和具體布線區分。 在大多數情況下，電感作用于“線性區域”，但是在這種情況下，電感值恒定，不會因端子電壓和電流而變化。 然而，開關電源存在不容忽視的問題。 即，感應線圈引起兩個分布參數(或寄生參數)，一個引起不可幸免的線圈電阻，另一個引起線圈工藝，引起和材料相關的分散雜散電容。 浮置電容在低頻下不動作，但隨著頻率的增加而逐漸出現，當頻率成為某一值以上時，電感成為電容特性。 當浮置電容集中于一個電容時，從電感等效電路可知出現在某一頻率上的電容特性。

分析線路中電感的動作狀況或制作電壓、電流波形圖時，請考慮以下特征

1 .當電流I流過電感器l時，電感器蓄積能量如下

E=0.5×L×I2 (1)

2 .開關周期中的電感電流的變化( 紋波電流峰值)和電感兩端電壓的關系如下

V=(L×di)/dt (2)

因此，550~555的電流幅度和電感值有關。

3 .為了使電容器具有充放電電流，電感器也有充放電電壓的過程。 電容器的電壓和電流的積分( as )成比例，電感的電流和電壓的積分( vs )成比例。 電感電壓變化時，電流變化率di/dt也變化，正向電壓使電流直線上升，反向電壓使電流直線下降。

計算正確的電感值對于選擇用于獲得小輸出電壓550至555的適當電感和輸出電容至關重要。

如從圖1可知，流過開關電源的電感器的電流由交流電和直流電兩個成分構成，交流電的成分具有高頻率。 結果，經由輸出電容器流入地，并且在對應的輸出550至555處產生電壓dv=di×RESR。 完量降低該紋波的電壓，為了不影響電源系統的正常工作，一般要求峰值為10mV~500mV。

圖1 :開關電源的感應電流。

紋波電流的大小也影響電感器和輸出電容器的大小，紋波電流一般設定為大輸出電流的10%~30%，因此在降壓型電源中，電感器中流過的電流的峰值比電源輸出電流大5%~15%。

降壓型開關電源的電感選擇

為降壓型開關電源選擇電感器時，需要決策大輸入電壓、輸出電壓、電源開關頻率、大紋波電流、占空比。 以下，以圖2為例說明降壓型開關電源的電感值的計算，首先假設開關頻率為300kHz、輸入電壓范圍為12V±10%、輸出電流為1A、大紋波電流為300mA。

圖2 :降壓型開關電源的電路圖。

大輸入電壓值為13.2V，對應的占空比如下所示

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

其中，Vo是輸出電壓，Vi是輸出電壓。 打開開關管后，電感器的電壓如下所示

V=Vi-Vo=8.2V (4)

開關管斷開時，電感器的電壓如下所示

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

dt=D/F (6)

在式2中代入式2/3/6時

3.jpg

升壓型開關電源的電感選擇

關于升壓型開關電源的電感值的計算，除了占空比和電感電壓的關系式發生變化以外，和降壓型開關電源的計算方式相同。 如果以圖3為例進行計算，設開關頻率為300kHz、輸入電壓范圍為5V±10%、輸出電流為500mA、效率為80%，則大紋波電流為450mA，和占空比對應

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

4.jpg

圖3 :升壓型開關電源的電路圖。

打開開關管后，電感器的電壓如下所示

V=Vi=5.5V (8)

開關管斷開時，電感器的電壓如下所示

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

在式2中代入式6/7/8時

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請注意，升壓電源和降壓電源不同，前者的負載電流并非始終以電感電流供給。 當開關導通時，感應電流經由開關管接地，并且從輸出電容器供應負載電流。 因此，對于輸出電容器，需要足以在其間供給負載所需的電流的存儲電容器。 但是，開關管斷開時，不僅負載中流過電感器的電流，輸出電容器也會充電。

電感值的選擇通常為高輸出550到555，然而功率的動態響應也相應地減小，并且根據電路的特定應用要求來調節電感值的選擇以實現佳效果。 滿足了開關頻率的提高導致電感值減小、電感物理尺寸減小、電路板空間節約、當前開關電源高頻進展、電子產品體積越來越小的要求。

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