【技术文章】开关电源电感值的确定

摘要: 开关电源是电源产品的主力军之一,但随着全球范围内对节能型产品需求的日增,那些传统上采用价格较低而效率亦较低的

开关电源是电源产品的主力军之一,但随着全球范围内对节能型产品需求的日增,那些传统上采用价格较低而效率亦较低的线性调节电源的应用,也将转向开关电源(switch mode power supplies,SMPS)。这一转变必将推动业界不断的提高开关的频率,以满足客户对于在更小空间中提供更大功率的要求。这为SMPS制造商打开了新的市场,而相应的又将有一些领域的设计工程师面临如何满足SMPS设计要求这一难题。

图1 典型的buck结构电源


图 2  采用Buck型结构的开关电源开关波形

本文将探讨如何为非隔离式SMPS选择相应电感的问题。所给出的例子适用于薄型表面贴装式设计,如稳压器模块(VRM)、负载点电源(POL))以及更大的机柜系统。

图1示出了采用Buck(降压)型拓扑结构的电源,它常用于输出电压低于输入电压的场合。在典型的buck电路中,当开关(Q1)闭合时,电流开始流过输出端,并稳定上升,其速率取决于电感的量值。根据Lenz定律,di=VL×dt/L,即流过电感的电流的变化等于电压乘以时间的变化然后除以电感的量值。随着流过负载电阻RL的电流稳步上升,输出电压也成正比增加。

当电压或电流达到预定的极限后,控制IC把开关关断,电感中的磁场就逐渐消失,使得正向偏置二极管D1继续向输出电路馈送电流,直到开关再次闭合。这一循环不断重复下去,其闭合和关断的次数由控制IC决定,这样就可以将输出电压调节到所期望的值。

图2示出了若干周期内流过电感及其他降压电路元件的电压和电流波形。电感的量值对于在开关关断时维持到负载的电流十分关键。为了能在最极端的输出电压和输入电流条件下保证最小的电感值仍然支持降压变换器的输出电流,从而向负载输出电流,这个最小电感值是需要确定的一个量值。为了求出这一最小电感值,需要下列信息:输入电压范围、输出电压及其额定范围、工作频率(开关频率),电感的纹波电流和工作模式(连续或不连续)。

下式用于确定一个buck变换器所需的电感值:

式中,对于连续模式来说,dI<I 。

确定在所有可能的工作条件范围内都适用的最小电感值时,必须设法保证电感能提供所需的负载电流,且同时保证在各参数均为最差条件时纹波电流仍处于规定的指标范围之内。对于buck型降压电源来说,最差的条件出现在输入电压和频率均为其最小值的情况下。让输出电压等于其所允许的最小值就可以得出维持电压调节所需的最小电感值。设计者可以根据对可能出现的最坏条件的承受能力来选择所需的电感值。

利用表1给出的量值,可以通过下式计算出最小电感值。

L1(Min)=10.6mh

于是,对这一特定的应用来说,可用的最小电感值为10.6mH ,而电流额定值在最大的20A工作电流以上仍具有让人放心的安全裕度。选用一个电感值更低的电感,就可能导致buck变换器在规定的最大电流下无法将其输出电压维持在所规定的范围之内。

结语

一旦确定了电感值,就可以根据电气标准、尺寸和系统安装方面的限制来设计实际的电感。很多磁体供应商提供了可以满足大多数设计指标的标准化产品,然而,若使用现成的产品,可能需要在性能或尺寸方面作出妥协。在很多情况下,利用磁体制造商所具备的专业技术能力来形成电感值、电气性能和物理限制条件都让人满意的优化设计,就可以提高产品的性能并缩短推向市场的时间。


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