開關電源電感器設計要點

2020-11-23 電子產品世界

開關電源電感器是開關電源設備的重要元器件，它是利用電磁感應的原理進行工作的。它的作用是阻交流通直流,阻高頻通低頻(濾波)，也就是說高頻信號通過電感線圈時會遇到很大的阻力，很難通過，而對低頻信號通過它時所呈現的阻力則比較小，即低頻信號可以較容易的通過它。電感線圈對直流電的電阻幾乎為零。

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本文將闡明為非隔離式開關電源(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計的應用，像電壓調節模塊(VRM)和負載點(POL)型電源，但不包括基於更大底板的系統。

圖1所示為一個降壓拓撲結構開關電源的架構，該構架廣泛應用於輸出電壓小於輸入電壓的開關電源系統。在典型的降壓拓撲結構電路中，當開關(Q1)閉合時，電流開始通過這個開關流向輸出端，並以某一速率穩步增大，增加速率取決於電路電感。根據楞次定律，di=E*dt/L，流過電感器的電流所發生的變化量等於電壓乘以時間變化量，再除以這個電感值。由於流過負載電阻RL的電流穩定增加，輸出電壓成正比增大。


在達到預定的電壓或電流限值時，開關電源控制集成電路將開關斷開，從而使電感周圍的磁場衰減，並使偏置二極體D1正嚮導通，從而繼續向輸出電路供給電流，直至開關再度接通。這一循環反覆進行，而開關的次數由控制集成電路來確定，並將輸出電壓調控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個開關循環周期內，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。

電感值對於在開關電源開關斷開期間保持流向負載的電流很關鍵。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於最差條件下，仍能夠為負載供應足夠的電流。為確定最小的電感值，需要知道如下信息：

·輸入電壓範圍

·輸出電壓及其規定範圍

·工作頻率(開關頻率)

·電感器紋波電流

·運行模式：連續運行模式還是非連續運行模式

下列公式用於計算降壓變換器所需的電感值。
　　
L1=Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)

連續運行模式下：dI 1/2I

為了算出適用於開關電源整個運行條件的最小電感值，對參數值的選擇必須能夠保證在各項參數處於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值範圍內。而針對降壓型開關電源，其最不利組合條件為：輸入電壓和頻率均處於各自的最低數值時。此外，還要將輸出電壓也取為其最小規定值，以確定能夠保持正常調節功能所需的最低電感值。設計者可以按照自己所習慣的方式，對這些數值進行控制，以達到最差條件成立的狀態。

按照表1中所列出的數據，最小電感值計算如下：

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