干货|如何选择DCDC降压型开关电源的电感

电子工程世界 2023-10-12 08:58
选择合适的电感是开关电源电路设计的关键之一。本文将帮助您理解电感值和电路性能之间的关系。
降压转换器(buck converter),也称为降压转换器(step-down converter),是一种开关模式稳压器(voltage regulator),可以有效地将较高的直流输入电压转换为较低的直流输出电压。我们将使用 LTspice 来研究开关模式电压转换器的电气行为。本文将开始探讨与电路电感相关的设计任务和权衡。
图 1 中显示的 LTspice 原理图将使我们能够仿真降压转换器的功率级。要成为一个完整的转换器,我们需要添加一个反馈控制回路来调节电压。

 降压转换器电感公式

来自德州仪器的应用笔记提供了以下方程式来计算电感大小:
公式种各项含义如下:
  • VOUT:是输出电压。电压可以比输出高或者低。
  • VIN:同样地,我们通常期望开关调节器能够容忍一定范围的输入电压,所以如果您的 VIN 不是固定的,您可以选择范围中间的某个值。
  • fS(开关频率):在计算电感值之前,您必须考虑开关频率。200 kHz 到 2 MHz 之间的某个值是一个合理的起点。
  • ΔIL:这表示电感电流纹波,即开关元件的通断动作引起的电感电流上下变化,如图 2 所示。
为了响应开关元件的开/关动作,降压转换器中的电感电流上下波动,超出和低于负载电流(即电感电流的平均值)。这些偏差的大小用电感电流纹波(ΔIL)来表示。
如果我们将电流纹波(CR/ current ripple)表示为预期负载电流的百分比,建议的CR规范为30%。这意味着最大电感电流比预期负载电流高15%,最小电感电流比预期负载电流低15%。
你可能会看到“最大负载电流(maximum load current)”或“满负载电流(full load current)”这样的术语,而不是“预期负载电流”。在设定ΔIL目标时,我们不会考虑异常高的瞬态电流。

 计算降压型稳压电路的电感值 

让我们通过一个具体的例子来说明如何计算电感。我们将在LTspice 电路中更改各种参数,以便我们真正做一些新的事情。
假设我们的目标是接受一个相当高的系统电压,并生成适用于低功率混合信号嵌入式系统的电源轨。我们假设我们的名义输入电压为24 V,期望的输出电压为3.3 V,预期负载电流为70 mA。
对于这种类型的应用,首选开关稳压器,因为如此大的压差会导致线性稳压器过热。
因为我们将为一些模拟电路供电,因此,我们想减少输出电压的纹波。此外,我们将选择更高的开关频率-比如说1.5 MHz-因为更高的开关频率有助于减少输出纹波。
我们还需要选择一个初始占空比。为此,我们可以使用电路在指定的输入和输出电压下所需的最大占空比,并计算最大占空比如下:
假设效率为90%,所以我们的最大工作周期约为15%:
在图3中,更新了带有开关频率和占空比的示意图。
我正在使用1μF作为电容C1的默认值。
另外,请注意我已经用电流源 ILOAD 替换了负载电阻。这确保了负载电流无论输出电压如何都将保持为70mA。
我们这样计算电感:
这是更新后的原理图:

 Buck稳压器功率级仿真 

图5显示了我们的新降压转换器的电感电流、负载电流和输出电压:
这些结果看起来不错,但还有很多细节需要检查。


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