【導(dǎo)讀】電感是電路中常見的儲(chǔ)能被動(dòng)元器件,在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中起到濾波,升壓,降壓等作用。方案設(shè)計(jì)初期工程師不僅要選擇合適的電感值,還要考慮電感可承受的電流,線圈的DCR,機(jī)械尺寸,損耗等等。如果對電感的功能不夠熟悉,往往會(huì)在設(shè)計(jì)中很被動(dòng),耗費(fèi)大量的時(shí)間。
理解電感的功能
電感元器件是開關(guān)電源輸出端中的LC濾波電路中的“L”在降壓轉(zhuǎn)換中,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。
在狀態(tài)1過程中,電感會(huì)通過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(shí)現(xiàn)電感接地:通過二極管接地或通過MOSFET接地。如果是前一種方式,轉(zhuǎn)化器稱為異步方式。后一種方式,轉(zhuǎn)換器就稱為同步方式。
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(gè)降壓轉(zhuǎn)換器,輸入電壓必須比輸出電壓高,因此會(huì)在電感上形成正向壓降。
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(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。
電感電壓計(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。通過電感的電流如圖2所示:
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(jì)算出峰值電流:其中,ton是狀態(tài)1的時(shí)間,T是開關(guān)周期,DC為狀態(tài)1的占空比。
同步轉(zhuǎn)換電路
異步轉(zhuǎn)換電路
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
通過已經(jīng)計(jì)算的電感峰值電流,我們會(huì)知道,隨著通過電感的電流增加,它的電感量會(huì)衰減。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會(huì)衰減多少非常關(guān)鍵,重要:如果電感量衰減過大,轉(zhuǎn)換器就不會(huì)正常工作了。當(dāng)通過電感的電流大到電感失效的程度,此時(shí)的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數(shù)。
轉(zhuǎn)換電路中的功率電感會(huì)有一個(gè)飽和曲線非常關(guān)鍵,值得注意。要了解這個(gè)概念可以觀察實(shí)際測量的LvsDC電流的曲線:
當(dāng)電流增加到一定程度后,電感量就會(huì)急劇下降,這就是飽和特性。如果電流再增加,電感就會(huì)失效了。
有了這個(gè)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(huì)規(guī)定在DC輸出電流下的電感值變化范圍(△L≤20%或30%),電感規(guī)格書上為什么會(huì)有Isat這個(gè)參數(shù)了。由于紋波電流的變化不會(huì)嚴(yán)重影響電感量。在所有的應(yīng)用中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的衰減程度,而會(huì)在規(guī)格書中忽略紋波電流下的電感量的原因。
開關(guān)電源選擇合適的電感
電感是開關(guān)電源中常用的元件,由于它的電流、電壓相位不同,所以理論上損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件,具有“來拒去留”的特點(diǎn),常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上,用來平滑電流。
電感為磁性元件,自然有磁飽和的問題。有的應(yīng)用允許電感飽和,有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和,也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和,這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分。大多數(shù)情況下,電感工作在“線性區(qū)”,此時(shí)電感值為一常數(shù),不隨著端電壓與電流而變化。但是,開關(guān)電源存在一個(gè)不可忽視的問題,即電感的繞線將導(dǎo)致兩個(gè)分布參數(shù)(或寄生參數(shù)),一個(gè)是不可避免的繞線電阻,另一個(gè)是與繞制工藝、材料有關(guān)的分布式雜散電容。雜散電容在低頻時(shí)影響不大,但隨頻率的提高而漸顯出來,當(dāng)頻率高到某個(gè)值以上時(shí),電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容“集中”為一個(gè)電容,則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性。
當(dāng)分析電感在線路中的工作狀況時(shí),一定要考慮下面幾個(gè)特點(diǎn):
1.當(dāng)電感L中有電流I流過時(shí),電感儲(chǔ)存的能量為:E=0.5×L×I2(1)
2.在一個(gè)開關(guān)周期中,電感電流的變化(紋波電流峰峰值)與電感兩端電壓的關(guān)系為:V=(L×di)/dt(2)由此可看出,紋波電流的大小跟電感值有關(guān)。
3.電感器也有充、放電壓過程。電感上的電流與電壓的積分(伏·秒)成正比。只要電感電壓變化,電流變化率di/dt也將變化;正向電壓使電流線性上升,反向電壓使電流線性下降。
降壓型開關(guān)電源的電感選擇
降壓型開關(guān)電源選擇電感器時(shí),需要確定最大輸入電壓、輸出電壓、電源開關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。下面說明降壓型開關(guān)電源電感值的計(jì)算,首先假設(shè)開關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍12V±10%、輸出電流為1A、最大紋波電流300mA。
降壓型開關(guān)電源的電路圖
最大輸入電壓值為13.2V,對應(yīng)的占空比為:
D=Vo/Vi=5/13.2=0.379(3)
其中,Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感器上的電壓為:
V=Vi-Vo=8.2V(4)
當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),電感器上的電壓為:
V=-Vo-Vd=-5.3V(5)
dt=D/F(6)
把公式2/3/6代入公式2得出:
升壓型開關(guān)電源的電感選擇
升壓型開關(guān)電源的電感值計(jì)算,除了占空比與電感電壓的關(guān)系式有所改變外,其它過程跟降壓型開關(guān)電源的計(jì)算方式一樣。假設(shè)開關(guān)頻率為300kHz、輸入電壓范圍5V±10%、輸出電流為500mA、效率為80%,則最大紋波電流為450mA,對應(yīng)的占空比為:D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7)
升壓型開關(guān)電源的電路圖
當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感器上的電壓為:V=Vi=5.5V(8)當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí),電感器上的電壓為:V=Vo+Vd-Vi=6.8V(9)把公式6/7/8代入公式2得出:
請注意,升壓電源與降壓電源不同,前者的負(fù)載電流并不是一直由電感電流提供。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電感電流經(jīng)過開關(guān)管流入地,而負(fù)載電流由輸出電容提供,因此輸出電容必須有足夠大的儲(chǔ)能容量來提供這一期間負(fù)載所需的電流。但在開關(guān)管關(guān)斷期間,流經(jīng)電感的電流除了提供給負(fù)載,還給輸出電容充電。
一般而言,電感值變大,輸出紋波會(huì)變小,但電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)變差,所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應(yīng)用要求來調(diào)整以達(dá)到最理想效果。開關(guān)頻率的提高可以讓電感值變小,從而讓電感的物理尺寸變小,節(jié)省電路板空間,因此目前的開關(guān)電源有往高頻發(fā)展的趨勢,以適應(yīng)電子產(chǎn)品的體積越來越小的要求。
開關(guān)電源的分析與應(yīng)用
楞次定律相關(guān)內(nèi)容:在直流供電的時(shí)候,由于線圈的自感作用,線圈將產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢,此電動(dòng)勢將阻礙線圈電流的增加,所以在通電的一瞬間,電路電流可以認(rèn)為是0,此時(shí)電路全部壓降全落在線圈上,然后電流緩慢增加,線圈端電壓緩慢下降直到為零,暫態(tài)過程結(jié)束
在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)運(yùn)行中,必須保證電感不處在飽和狀態(tài),以確保高效率的能量存儲(chǔ)和傳遞。飽和電感在電路中等同于一個(gè)直通DC通路,故不能存儲(chǔ)能量,也就會(huì)使開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的整個(gè)設(shè)計(jì)初衷功虧一簣。在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率已經(jīng)確定時(shí),與之協(xié)同工作的電感必須足夠大,并且不能飽和。
開關(guān)電源中的電感確定:開關(guān)頻率低,由于開和關(guān)的時(shí)間都比較長,因此為了輸出不間斷的需要,需要把電感值加大點(diǎn),這樣可以讓電感可以存儲(chǔ)更多的磁場能量。同時(shí),由于每次開關(guān)比較長,能量的補(bǔ)充更新沒有如頻率高時(shí)的那樣及時(shí),從而電流也就會(huì)相對的小點(diǎn)。這個(gè)原理也可以用公式來說明:
L=(dt/di)*uL
D=Vo/Vi,降壓型占空比D=1-Vi/Vo,升壓型占空比
dt=D/F,F(xiàn)=開關(guān)頻率
di=電流紋波
所以得L=D*uL/(F*di),當(dāng)F開關(guān)頻率低時(shí),就需要L大一點(diǎn);同意當(dāng)L設(shè)大時(shí),其他不變情況下,則紋波電流di就會(huì)相對減小在高的開關(guān)頻率下,加大電感會(huì)使電感的阻抗變大,增加功率損耗,使效率降低。同時(shí),在頻率不變條件下,一般而言,電感值變大,輸出紋波會(huì)變小,但電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(負(fù)載功耗偶爾大偶爾小,在大小變化之間相應(yīng)慢)也會(huì)相應(yīng)變差,所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應(yīng)用要求來調(diào)整以達(dá)到最理想效果。
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