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开关电源中如何选择合适的电感

2022-11-28 12:00:00
详细介绍:

电感是电路中常见的储能被动元器件,在开关电源的设计中起到滤波,升压,降压等作用。方案设计初期工程师不仅要选择合适的电感值,还要考虑电感可承受的电流,线圈的DCR,机械尺寸,损耗等等。如果对电感的功能不够熟悉,往往会在设计中很被动,耗费大量的时间。

 

理解电感的功能

电感元器件是开关电源输出端中的LC滤波电路中的“L”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。

 

请注意,升压电源与降压电源不同,前者的负载电流并不是一直由电感电流提供。当开关管导通时,电感电流经过开关管流入地,而负载电流由输出电容提供,因此输出电容必须有足够大的储能容量来提供这一期间负载所需的电流。但在开关管关断期间,流经电感的电流除了提供给负载,还给输出电容充电。

一般而言,电感值变大,输出纹波会变小,但电源的动态响应也会相应变差,所以电感值的选取可以根据电路的具体应用要求来调整以达到理想效果。开关频率的提高可以让电感值变小,从而让电感的物理尺寸变小,节省电路板空间,因此目前的开关电源有往高频发展的趋势,以适应电子产品的体积越来越小的要求。

 

开关电源的分析与应用

楞次定律相关内容:在直流供电的时候,由于线圈的自感作用,线圈将产生一个自感电动势,此电动势将阻碍线圈电流的增加,所以在通电的一瞬间,电路电流可以认为是0,此时电路全部压降全落在线圈上,然后电流缓慢增加,线圈端电压缓慢下降直到为零,暂态过程结束

在转换器的开关运行中,必须保证电感不处在饱和状态,以确保高效率的能量存储和传递。饱和电感在电路中等同于一个直通DC通路,故不能存储能量,也就会使开关模式转换器的整个设计初衷功亏一篑。在转换器的开关频率已经确定时,与之协同工作的电感必须足够大,并且不能饱和。

开关电源中的电感确定:开关频率低,由于开和关的时间都比较长,因此为了输出不间断的需要,需要把电感值加大点,这样可以让电感可以存储更多的磁场能量。同时,由于每次开关比较长,能量的补充更新没有如频率高时的那样及时,从而电流也就会相对的小点。这个原理也可以用公式来说明:

L=(dt/di)*uL

D=Vo/Vi,降压型占空比D=1-Vi/Vo,升压型占空比

dt=D/F,F=开关频率

di=电流纹波

所以得L=D*uL/(F*di),当F开关频率低时,就需要L大一点;同意当L设大时,其他不变情况下,则纹波电流di就会相对减小在高的开关频率下,加大电感会使电感的阻抗变大,增加功率损耗,使效率降低。同时,在频率不变条件下,一般而言,电感值变大,输出纹波会变小,但电源的动态响应(负载功耗偶尔大偶尔小,在大小变化之间相应慢)也会相应变差,所以电感值的选取可以根据电路的具体应用要求来调整以达到理想效果。

 


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