深入剖析电感@@电流@@@@

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在@@开关电源的设计中电感@@的设计为工程师带来的许多的挑战@@。工程师不仅要选择电感@@值@@@@,还要考虑电感@@可承受的电流@@@@,绕线电阻@@,机械尺寸等@@等@@@@。本文专注于解释@@:电感@@上的@@DC电流@@效应@@。这@@也会为选择合适的电感@@提供必要的信息@@。

理解电感@@的功能@@

电感@@常常被理解为开关电源输@@出端中的@@LC滤波电路中的@@L(C是@@其中@@的输@@出电容@@)。虽然这@@样理解是@@正确的@@,但是@@@@为了理解电感@@的设计就必须更深入的了解电感@@的行为@@。

在@@降压转换中@@(Fairchild典型的开关控制器@@),电感@@的一端是@@连接到@@DC输@@出电压@@。另一端通过@@开关频率切换连接到输@@入电压@@或@@GND。

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在@@状态@@@@1过程中@@,电感@@会通过@@@@(高边@@ “high-side”)MOSFET连接到输@@入电压@@。在@@状态@@@@2过程中@@,电感@@连接到@@GND。由于使用了这@@类的控制器@@,可以采用两种方式@@实现电感@@接地@@@@:通过@@ 二极管接地@@或通过@@@@(低边@@“low-side”)MOSFET接地@@。如果@@是@@后一种方式@@@@,转换器就称为@@“同步@@(synchronus)”方式@@。

现在@@再考虑一下在@@这@@两个状态@@下流过电感@@的电流@@是@@如果@@变化的@@。在@@状态@@@@1过程中@@,电感@@的一端连接到输@@入电压@@@@,另一端连接到输@@出电压@@@@。对于一个降压转换器@@,输@@ 入电压必须比输@@出电压@@高@@,因此@@会在@@电感@@上形成正向压降@@。相反@@,在@@状态@@@@2过程中@@,原来连接到输@@入电压@@的电感@@一端被连接到地@@。对于一个降压转换器@@,输@@出电压@@必@@ 然为正端@@,因此@@会在@@电感@@上形成负向的压降@@。

我们利用电感@@上电压计算公式@@:

V=L(dI/dt)

因此@@,当电感@@上的@@电压为正时@@(状态@@1),电感@@上的@@电流@@就会增加@@@@;当电感@@上的@@电压为负时@@(状态@@2),电感@@上的@@电流@@就会减小@@。通过@@电感@@的电流@@如图@@2所示@@:

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通过@@上图我们可以看到@@,流过电感@@的最大电流@@为@@DC电流@@加@@开关峰峰电流@@的一半@@。上图也称为纹波电流@@@@。根据上述的公式@@,我们可以计算出峰值@@电流@@@@:

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其中@@,ton是@@状态@@@@1的时间@@,T是@@开关周期@@(开关频率的倒数@@),DC为状态@@@@1的占空比@@。

警告@@:上面的计算是@@假设各元器件@@(MOSFET上的导通压降@@,电感@@的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降@@)上的压降对比输@@入和@@输@@出电压@@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确计算@@:

同步@@转换电路@@:

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异步转换电路@@:

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其中@@,Rs为感应电阻阻抗加@@电感@@绕线电阻@@的阻@@。Vf 是@@肖特基二极管的正向压降@@。R是@@Rs加@@MOSFET导通电阻@@,R=Rs+Rm。

电感@@磁芯的饱和@@度@@@@

通过@@已经计算的电感@@峰值@@电流@@@@,我们可以发现电感@@上产生了什么@@。很容易会知道@@,随着通过@@电感@@的电流@@增加@@@@,它的电感@@量会减小@@。这@@是@@由于磁芯材料的物理特性决@@ 定的@@。电感@@量会减少多少就很重要了@@:如果@@电感@@量减小很多@@,转换器就不会正常工作了@@。当通过@@电感@@的电流@@大到电感@@实效的程度@@,此时的电流@@称为@@“饱和@@电流@@@@”。这@@ 也是@@电感@@的基本参数@@。

实际上@@,转换电路中的开关功率电感@@总会有一个@@“软@@”饱和@@度@@。要了解这@@个概念可以观察实际测量的电感@@@@Vs DC电流@@的曲线@@:

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当电流@@增加@@到一定程度后@@,电感@@量就不会急剧下降了@@,这@@就称为@@“软@@”饱和@@特性@@。如果@@电流@@再增加@@@@,电感@@就会损坏了@@。

注意@@:电感@@量下降在@@很多类的电感@@中都会存在@@@@。例如@@:toroids,gapped E-cores等@@。但是@@@@,rod core电感@@就不会有这@@种变化@@。

有了这@@个软@@饱和@@的特性@@,我们就可以知道在@@所有的转换器中为什么都会规定在@@@@DC输@@出电流@@下的最小电感@@量@@;而且由于纹波电流@@的变化也不会严重影响电感@@量@@。在@@ 所有的应用中都希望纹波电流@@尽量的小@@,因为它会影响输@@出电压@@的纹波@@。这@@也就是@@为什么大家总是@@很关心@@DC输@@出电流@@下的电感@@量@@@@,而会在@@@@Spec中忽略纹波电流@@@@ 下的电感@@量@@。

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