深入剖析電感電流-dcdc電路中電感的選擇

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1、深入剖析電感電流一DC/DC電路中電感的選擇2008年11月07日星期五13:42簡(jiǎn)介在開(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)換屮（Fairchild典型的開(kāi)關(guān)控制器），電感的一端是連接到DC輸出

2、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”）M0SFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過(guò)程屮，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“l(fā)ow-side”）M0SFET接地。如果是后一種方式，轉(zhuǎn)換器就稱(chēng)為“同步（synchronus）”方式?，F(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)

3、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)電感的電流如閣2所示：通過(guò)上圖我們可以看到，流過(guò)電感的最人電流為DC電流加開(kāi)關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱(chēng)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，U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)），D

4、C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（M0SFET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Y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

5、。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(chēng)為“飽和電流”。這也是電感的基本參數(shù)。實(shí)際上，轉(zhuǎn)換電路屮的開(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VsDC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(chēng)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,gappedE-cores等。但是，rodcore電感就不會(huì)有這種變化。有了這個(gè)軟飽和的特性

6、，我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會(huì)規(guī)定在DC輸出電流下的最小電感量；而i由于紋波電流的變化也不會(huì)嚴(yán)重影響電感量。在所有的應(yīng)用屮都希望紋波電流盡量的小，因?yàn)樗鼤?huì)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，而會(huì)在Spec中忽略紋波電流下的電感量。推挽變換器中的變壓器設(shè)計(jì)方法2008年11月07H星期五16:11一般帶中心抽頭變壓器原邊兩繞組線圈輪流工作的線路稱(chēng)為推挽線路(push-pullconverter).它不太適合離線變換器的應(yīng)用.因?yàn)楣β书_(kāi)關(guān)集電極應(yīng)力兩倍于Vs,而且主變壓器原邊利用率也

7、不如半橋，全橋那樣高，輸出電壓隨輸入電壓和負(fù)載變化而變化...然而在低壓輸入時(shí)(28V-60Vdc)，推挽電路相對(duì)優(yōu)越.因?yàn)槿魏螘r(shí)候最多只一個(gè)開(kāi)關(guān)元件工作，對(duì)于輸出相同的功率，開(kāi)關(guān)損耗較小，控制方式較多為採(cǎi)用占空比控制下面以一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明初步的設(shè)計(jì)方法.DC-DCconverter,Vin=48V(+10%,-12.5%),f=40kHZ,;Vout=5v,Tout=80A.環(huán)境溫度：0-55°C.效率：80%;試設(shè)計(jì)各參數(shù)...step1:輸出功率：Po=Vo*Io=400W;Pin=Po/eff=500W.step2:導(dǎo)通

8、時(shí)間Ton:Ton=0.5/f=12.5(us)step3:磁芯截面積Ae，根據(jù)Ap法來(lái)計(jì)算推挽式：1.03*Po*/D*104AP=AeWa=、Bm*FWKj*nAP：面積乘枳cm4Ae：錢(qián)心截面稅cm2Wa：錢(qián)心窗口面祝cm"Po：輸出直流功4WD：最大占空比B:最大工作