DC-DC电路中电感的重要性自然不必多说,因而选一款合适的电感也十分重要。废话不多说,直接开始瞎侃。
在选型之前,首先要理解电感在DCDC中的作用。最常用的两种开关电源拓扑是BOOST和BUCK。其基本原理都是斩波。降压斩波相对好理解,知道PWM的原理,不用介绍也可以想通。升压斩波就要难理解一些。
上图是BUCK斩波,通过MOS的开关,直接将电源电压斩成方波,再借电感L和滤波电容将方波整成直流,通过控制占空比来控制输出电压。
上图所示是BOOST升压斩波。斩波升压的过程是这样的。首先MOS打开,形成回路1,电流经由电感和MOS回到电源负极;然后MOS关断,形成回路2,电流经由二极管D和负载回到电源负极。两个回路的切换过程中,保持不变的是电感上的电流。1回路中的负载为MOS的内阻,很小;2回路中的负载是外接的负载,大于MOS的内阻。由V=I*R可得负载得到的电压高于电源电压。
因此,BUCK中的电感可以认为是对斩波形成的方波进行LC滤波,BOOST中的电感可以理解为升压过程中的储能源。今天主要谈BUCK中的电感,关于BOOST电路改天再讲。
BUCK的整流有两种方式,分别是同步整流和异步整流。图1为异步方式,图2为同步方式。其主要区别在于电感的续流方式不同。图1中电感的续流为二极管,属于被动打开;图2中续流使用MOS来进行,属于主动打开。由于主动控制Q2的打开需要与Q1的关断保持固定的相位关系,所以称为同步模式。两种工作方式的主要区别就在于功耗以及效率。MOS的导通电阻可以做到比二极管小几个数量级并且漏极电流远大于二极管的通流能力,所以对于追求效率的BUCK电路来说同步方式是必然选择。
BUCK电路中,由MOS斩波得到的方波其有效值即为最终输出,将方波处理为直流即可达到目的。LC滤波并不是唯一的滤波方式(个人见解),但却是最简单最有效的滤波方式。
上图所示,在MOS打开时,电感L上的电压为正,电感上的电流处于增加的状态;当MOS关闭时,电感上的电压为负,电感上的电流处于减小的状态。由此而产生的电流变化即为纹波电流。关于此过程中电感的3种工作状态CCM、DCM和BCM本文中不再详细展开,以后有机会再写。
由V=L(dI/dt)可以得出由纹波电流而产生的纹波电压,换言之就是电源噪声,该噪声并不是白噪声,而是有其固定频率。
电源输出的电流纹波的大小直接受电感量的影响(具体分析过程有机会和电感的工作状态一起介绍),所以一般的DC-DC电源都会有最小电感量的要求,电感的电感量无疑是选型时非常重要的一个参数,它直接影响着输出电源的纹波。电感量的计算如下:Lmin=【Vout*(1-Vout/Vinmax)】/Fsw*Irpp
Vinmax=maximuminputvoltage
fsw=switchingfrequency
Irpp=inductorpeak-to-peakripplecurrent
对于电感的选型,同时需要了解电感的特性。电感一个很重要的参数就是饱和电流,由电感所使用的磁芯材料的物理特性所决定的,当电感中的电流持续增大时,磁芯会逐渐失效,表现为电感量不断降低。当电流增大到一定程度时,电感量不再继续下降,这成为电感的软饱和特性。此时的电流称为饱和电流。因此,饱和电流是决定电感选型的最重要的参数之一。具体选型参照电感的LVSI图即可。
温度的上升会导致磁芯失磁,所以还有一个参数是温升电流,也说有效电流。通常指电感表面温度上升到40°C时的电流。
此外电感的选型还需要关注的一些参数大概算是比较常规的参数,诸如电感内阻、尺寸大小以及寄生参数等等。