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技術(shù)專題
如何為降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感器
作為用于高耗電應(yīng)用的DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一部分，組件選擇對(duì)于確保向負(fù)載穩(wěn)定地高效輸送功率非常重要。
在眾多的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校祲恨D(zhuǎn)換器在將輸入電壓降低到較低水平同時(shí)提供高效功率轉(zhuǎn)換方面有很多用途。這些功率轉(zhuǎn)換器的組件選擇常見(jiàn)問(wèn)題是如何為降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感。在降壓轉(zhuǎn)換器中使用電感器和其他組件的目的是為了限制熱量散失，同時(shí)很大程度地減小電流紋波。
降壓轉(zhuǎn)換器中的電感
降壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)淙缦滤尽?/span>在此圖中，MOSFET的輸出由PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)，該PWM信號(hào)以用戶選擇的占空比打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET。當(dāng)PWM信號(hào)切換時(shí)，電感器和電容器在向負(fù)載提供穩(wěn)定電流方面起著至關(guān)重要的作用。最后，PWM信號(hào)的占空比是主要功能，允許用戶控制輸送到負(fù)載的輸出電壓。
電感器將不斷以與PWM信號(hào)相同的速率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此它負(fù)責(zé)在發(fā)送到輸出的電流上疊加一些輕微的紋波。電感器和電容器形成一個(gè)L濾波器，它基本上是一個(gè)二階帶通濾波器。假設(shè)您使用的ESR低的足夠大的電容器，該電容器將提供低阻抗，并且構(gòu)成波紋的高頻分量將被大大消除。
如何為您的Buck轉(zhuǎn)換器選擇電感器
電感器的合適值取決于設(shè)計(jì)可承受的所需紋波電流，以及計(jì)劃用于PWM信號(hào)的占空比。下式顯示了輸出電壓隨二極管正向壓降和MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)壓降的關(guān)系。考慮這些電壓后，輸出電壓為：
輸出電壓是PWM占空比，二極管正向壓降和MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)壓降的函數(shù)。
我將跳過(guò)一些數(shù)學(xué)運(yùn)算，直接獲得重要結(jié)果。首先，電感和PWM頻率與紋波電壓成反比。其次，紋波也是PWM占空比的二次函數(shù)。降壓轉(zhuǎn)換器中的紋波電流為：
如何在電路圖中為降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感器
注意，PWM信號(hào)的上升時(shí)間在兩個(gè)方程式中均不出現(xiàn)。但是，上升時(shí)間很重要，因?yàn)樗诖_定轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲和損耗方面起著重要的作用（更多信息請(qǐng)參見(jiàn)下文）。重要的結(jié)果可以總結(jié)如下：
增大占空比會(huì)減少紋波，但也會(huì)使輸出電壓更接近輸入電壓。
增加PWM頻率將減少紋波，但這將增加 MOSFET的散熱。同樣，需要注意的是：使用具有更快邊沿速率的PWM信號(hào)將減少較高PWM頻率產(chǎn)生的這些損耗（再次參見(jiàn)下文）。
使用較大的輸入電壓需要使用較大的電感器，以將紋波減小到可接受的水平。通常，請(qǐng)使用較大的電感器以減少紋波。
為什么PWM上升時(shí)間很重要
電感器負(fù)責(zé)產(chǎn)生并同時(shí)抑制輸出電流的紋波，盡管可以使用上述準(zhǔn)則將其設(shè)置為設(shè)計(jì)目標(biāo)。但是，電感器無(wú)法控制任何開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的一些重要方面：
開(kāi)關(guān)元件的輻射EMI：來(lái)自晶體管的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)在下游電路中產(chǎn)生一些噪聲。
由集膚效應(yīng)引起的熱損耗：這是電感器幾何形狀的函數(shù)，而不是電感值。如果電感器具有較大的橫截面積和較高的導(dǎo)熱率，則可以較高的速率從電感器散熱。
晶體管中的熱損耗：晶體管在開(kāi)關(guān)和調(diào)節(jié)過(guò)程中會(huì)散發(fā)大部分熱量。但是，使用更快的邊沿速率將抑制這種熱量損失，因?yàn)?/span>MOSFET將在PWM振蕩之間更完全地關(guān)斷。
這些噪聲源取決于PWM信號(hào)的頻率和邊沿速率。如果在不改變占空比的情況下以較高的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行降壓轉(zhuǎn)換器，則通常會(huì)因MOSFET中的熱量而損失更多的功率。使用更快的邊沿速率的權(quán)衡是在下游電路中產(chǎn)生更多高頻噪聲以及通過(guò)集膚效應(yīng)損失更多熱量的風(fēng)險(xiǎn)。