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电源实用电源设计经验(第二部分).pdf
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电源实用电源设计经验(第二部分).pdf
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开关电源设计中电感的选择
深入剖析电感电流――DC/DC 电路中电感的选择
只有充分理解电感在 DC/DC 电路中发挥的作用,才能更优的设计 DC/DC 电路。本文还包括对同步 DC/DC
及异步 DC/DC 概念的解释。
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,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。
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:
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:
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:
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:
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。
控制 EMC 的主要方法
时钟速度的提升加上高频率总线以及更高的接口数据速率使得 PC 电路板设计的挑战性显著提高。工
程师必须超越板上实际逻辑的设计,还要考虑其它可能影响电路的因素,包括电路板的尺寸、环境噪
声、功耗和电磁兼容性(EMC)等。硬件工程师应在 PC 电路板设计阶段解决 EMC 问题,确保系统不会受
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良好的接地设计
低电感接地系统是最大限度减少 EMC 问题的最重要因素。最大限度地增加 PC 电路板上的接地面积可
降低系统接地电感,进而减少电磁辐射和串扰。串扰可存在于电路板上的任何两条布线之间,取决于
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地层的距离可降低互电感。
信号连接到地的方法各种各样。组件随机连接到接地点的电路板设计会生成高接地电感,并引发不可
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