2012年8月31日 星期五

深入剖析電感電流

深入剖析電感電流――DC/DC 電路中電感的選擇
原文:Fairchild Semiconductor AB-12 Insight into Inductor Current 下載

翻譯:frm(注:只有充分理解電感在DC/DC電路中發揮的作用,才能更優的設計DC/DC電路。本文還包括對同步DC/DC及非同步DC/DC概念的解釋。) 

簡介
在開關電源的設計中電感的設計為工程師帶來的許多的挑戰。工程師不僅要選擇電感值,還要考慮電感可承受的電流,繞線電阻,機械尺寸等等。本文專注於解釋:電感上的DC電流效應。這也會為選擇合適的電感提供必要的資訊。 


理解電感的功能
電感常常被理解為開關電源輸出端中的LC濾波電路中的LC是其中的輸出電容)。雖然這樣理解是正確的,但是為了理解電感的設計就必須更深入的瞭解電感的行為。 

在降壓轉換中 Buck converter(Fairchild典型的開關控制器),電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或GND
在狀態1過程中,電感會通過(高邊 high-side”)MOSFET連接到輸入電壓。在狀態2過程中,電感連接到GND。由於使用了這類的控制器,可以採用兩種方式實現電感接地:通過二極體接地或通過(低邊“low-side”)MOSFET接地。如果是後一種方式,轉換器就稱為“同步(synchronus)”方式。

現在再考慮一下在這兩個狀態下流過電感的電流是如果變化的。在狀態1過程中,電感的一端連接到輸入電壓,另一端連接到輸出電壓。對於一個降壓轉換器,輸入電壓必須比輸出電壓高,因此會在電感上形成正向壓降。相反,在狀態2過程中,原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對於一個降壓轉換器,輸出電壓必然為正端,因此會在電感上形成負向的壓降。

我們利用電感上電壓計算公式: V=L(dI/dt) 

因此,當電感上的電壓為正時(狀態1),電感上的電流就會增加;當電感上的電壓為負時(狀態2),電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖2所示:

通過上圖我們可以看到,流過電感的最大電流為DC電流加開關峰值電流的一半。上圖也稱為漣波電流。根據上述的公式,我們可以計算出峰值電流:

                                                             Buck converter 適用公式

其中 IL = (Vi –Vout) / L * Ton  =  (Vi –Vout) / L * Dc * T 

其中,ton是狀態1的時間,T是開關週期(開關頻率的倒數),DC為狀態1的duty cycle。(ton = Dc*T ,  Dc: Duty cycle= ton/ work period) 

警告:上面的計算是假設各元器件(MOSFET上的導通壓降,電感的導通壓降或非同步電路中肖特基二極體的正向壓降)上的壓降對比輸入和輸出電壓是可以忽略的。

如果,器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精確計算: 

Buck converter 適用公式

同步轉換電路:
其中,Rs為感應電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極體的正向壓降。RRsMOSFET導通電阻RMR=Rs+RM

電感磁芯的飽和度
通過已經計算的電感峰值電流,我們可以發現電感上產生了什麼。很容易會知道,隨著通過電感的電流增加,它的電感量會減小。這是由於磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少就很重要了:如果電感量減小很多,轉換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感實效的程度,此時的電流稱為“飽和電流(Isat)”。這也是電感的基本參數。 

實際上,轉換電路中的開關功率電感總會有一個“軟”飽和度。要瞭解這個概念可以觀察實際測量的電感Vs DC電流的曲線:

當電流增加到一定程度後,電感量就不會急劇下降了,這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加,電感就會損壞了。 

注意:電感量下降在很多類的電感中都會存在。例如:toroidsgapped E-cores等。但是,rod core電感就不會有這種變化。 

有了這個軟飽和的特性,我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的最小電感量;而且由於漣波電流的變化也不會嚴重影響電感量。在所有的應用中都希望漣波電流儘量的小,因為它會影響輸出電壓的漣波。這也就是為什麼大家總是很關心DC輸出電流下的電感量,而會在Spec中忽略漣波電流下的電感量。 

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