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開關(guān)電源電感器的選用

發(fā)布時間:2010-05-28

中心議題: 解決方案:
  • 算出適用于電源整個運行條件的最小電感值
  • 最低電感值能保持正常調(diào)節(jié)功能所需

開關(guān)電源一直以來都是電源業(yè)的主要產(chǎn)品。但是,隨著全球?qū)Ω吣苄Мa(chǎn)品需求的不斷增加,傳統(tǒng)上采用更廉價但低能效的線性電源市場也將轉(zhuǎn)向采用開關(guān)電源。在這一過渡時期,電源業(yè)為提高開關(guān)頻率而不懈努力,以滿足客戶對功率更大、占用空間更小的電源的要求。這種發(fā)展趨勢為開關(guān)電源開啟了新的市場,并使部分設(shè)計工程師面臨市場對開關(guān)電源設(shè)計的需求。

本文將闡明為非隔離式開關(guān)電源(SMPS)選用電感器的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設(shè)計的應(yīng)用,像電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)和負載點(POL)型電源,但不包括基于更大底板的系統(tǒng)。


圖1典型的降壓拓撲結(jié)構(gòu)電源

圖1所示為一個降壓拓撲結(jié)構(gòu)電源的架構(gòu),該構(gòu)架廣泛應(yīng)用于輸出電壓小于輸入電壓的系統(tǒng)。在典型的降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路中,當(dāng)開關(guān)(Q1)閉合時,電流開始通過這個開關(guān)流向輸出端,并以某一速率穩(wěn)步增大,增加速率取決于電路電感。根據(jù)楞次定律,di=E*dt/L,流過電感器的電流所發(fā)生的變化量等于電壓乘以時間變化量,再除以這個電感值。由于流過負載電阻RL的電流穩(wěn)定增加,輸出電壓成正比增大。

在達到預(yù)定的電壓或電流限值時,控制集成電路將開關(guān)斷開,從而使電感周圍的磁場衰減,并使偏置二極管D1正向?qū)?,從而繼續(xù)向輸出電路供給電流,直至開關(guān)再度接通。這一循環(huán)反復(fù)進行,而開關(guān)的次數(shù)由控制集成電路來確定,并將輸出電壓調(diào)控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個開關(guān)循環(huán)周期內(nèi),流過電感器和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。


圖2采用降壓拓撲結(jié)構(gòu)的開關(guān)電源的開關(guān)動作波形圖
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電感值對于在開關(guān)斷開期間保持流向負載的電流很關(guān)鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值,以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下,仍能夠為負載供應(yīng)足夠的電流。

為確定最小的電感值,需要知道如下信息:
•輸入電壓范圍
•輸出電壓及其規(guī)定范圍
•工作頻率(開關(guān)頻率)
•電感器紋波電流
•運行模式;連續(xù)運行模式還是非連續(xù)運行模式

表1 典型的降壓電源系統(tǒng)技術(shù)規(guī)格


下列公式用于計算降壓變換器所需的電感值:

L1=Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)連續(xù)運行模式下:dI<1/2I

為了算出適用于電源整個運行條件的最小電感值,對參數(shù)值的選擇必須能夠保證在各項參數(shù)處于最不利組合的條件下,所選擇的這一電感值仍能將紋波電流保持在特定的數(shù)值范圍內(nèi)。而針對降壓型電源,其最不利組合條件為:輸入電壓和頻率均處于各自的最低數(shù)值時。此外,還要將輸出電壓也取為其最小規(guī)定值,以確定能夠保持正常調(diào)節(jié)功能所需的最低電感值。設(shè)計者可以按照自己所習(xí)慣的方式,對這些數(shù)值進行控制,以達到最差條件成立的狀態(tài)。

按照表1中所列出的數(shù)據(jù),最小電感值計算如下:

L1(min)=Vo(min)(1-Vo(min)/(Vin(min)-Von))/(f(min)*dI)

L1(min)=4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz*0.5A)

L1(min)=10.6uh

因此,在這一具體應(yīng)用中,電感器的電感值至少為10.6μh,而其電流額定值也要在最低的20安培的工作電流之上,并保持足夠的安全系數(shù)。而如果選擇一個電感值低于此最小值的電感器,就將導(dǎo)致降壓變換器可能無法在最大電流下將其輸出電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

將電感值確定以后,實際電感器的設(shè)計必須符合相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應(yīng)商均提供各種型號的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,可滿足絕大多數(shù)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。但是,在設(shè)計中采用現(xiàn)貨供應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,有可能導(dǎo)致電感器的性能和尺寸方面有所不足,并可能最終對產(chǎn)品的銷售造成不利影響。而幸運的是,包括泰科電子CoEv磁性組件部在內(nèi)的一些供應(yīng)商,能夠提供必要的定制工程設(shè)計支持,以滿足將特定電感值、電氣性能和外形限制要求結(jié)合在一款完全成熟的產(chǎn)品上,促進設(shè)計的最優(yōu)化。充分利用了業(yè)界的專業(yè)技術(shù),從而最大程度地縮短了設(shè)計和測試的時間,加速產(chǎn)品的上市。
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