如何選擇開關(guān)電源電感器

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(jià)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(shí)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(jì)工程師面臨市場對開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(diǎn)。所舉實(shí)例適合超薄型表面貼裝設(shè)計(jì)的應(yīng)用，像電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）和負(fù)載點(diǎn)（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?fù)浣Y(jié)構(gòu)電源

?????? 圖1所示為一個(gè)降壓拓?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路中，當(dāng)開關(guān)（Q1）閉合時(shí)，電流開始通過這個(gè)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(shí)間變化量，再除以這個(gè)電感值。由于流過負(fù)載電阻RL的電流穩(wěn)定增加，輸出電壓成正比增大。

?????? 在達(dá)到預(yù)定的電壓或電流限值時(shí)，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(jìn)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(gè)開關(guān)循環(huán)周期內(nèi)，流過電感器和其它降壓拓?fù)潆娐吩系碾妷汉碗娏鞑ㄐ巍?/P>

?????? 圖2?? 采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開關(guān)電源的開關(guān)動作波形圖

?????? 電感值對于在開關(guān)斷開期間保持流向負(fù)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?yàn)樨?fù)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(yùn)行模式；連續(xù)運(yùn)行模式還是非連續(xù)運(yùn)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(jì)算降壓變換器所需的電感值：

?????? L₁ = V_o(1-V_o/(V_in-V_on))/(f*dI)??????連續(xù)運(yùn)行模式下：dI < 1/2I

?????? 為了算出適用于電源整個(gè)運(yùn)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(xiàng)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(shí)。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(jì)者可以按照自己所習(xí)慣的方式，對這些數(shù)值進(jìn)行控制，以達(dá)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(jì)算如下：

L_1(min) = V_o(min)(1-V_o(min)/(V_in(min)-V_on))/(f_(min)*dI)

L_1(min) = 4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz * 0.5A)

L_1(min) =? 10.6uh

因此，在這一具體應(yīng)用中，電感器的電感值至少為10.6 μh，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(gè)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(shí)際電感器的設(shè)計(jì)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。但是，在設(shè)計(jì)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(yùn)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(jì)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(jìn)設(shè)計(jì)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(jì)和測試的時(shí)間，加速產(chǎn)品的上市。