選擇降壓開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器的電感值

選擇合適的電感器是開關(guān)調(diào)節(jié)器成功設(shè)計與實施的關(guān)鍵之一。本文將幫助您理解電感器值與電路性能之間的關(guān)系。

降壓轉(zhuǎn)換器，也稱為降壓變換器，是一種開關(guān)模式電壓調(diào)節(jié)器，能夠高效地將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流輸出電壓。在本系列文章中，我們將使用LTspice來研究開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器的電氣行為。本文將開始探討與電路電感器相關(guān)的設(shè)計任務(wù)和權(quán)衡因素。

圖1中顯示的LTspice示意圖將使我們能夠模擬降壓轉(zhuǎn)換器的功率級。要構(gòu)成一個完整的轉(zhuǎn)換器，我們還需要添加一個反饋控制環(huán)以調(diào)節(jié)電壓。

模擬降壓變換器功率級電路原理圖

?圖1。模擬降壓變換器功率級電路原理圖

降壓轉(zhuǎn)換器電感公式

Texas Instruments的應(yīng)用說明提供了用于計算電感器尺寸的以下方程式：

VOUT：這是你想要設(shè)計的調(diào)節(jié)輸出電壓。最后，您可能會使用具有更高或更低輸出電壓的調(diào)節(jié)器，這是很好的，但如果您對輸出電壓進(jìn)行重大更改，轉(zhuǎn)換器可能受益于新的電感值。

VIN：同樣，我們通常希望開關(guān)調(diào)節(jié)器能夠耐受一定范圍的輸入電壓，所以如果您的VIN不是固定的，那么您可以選擇一個在該范圍中間的值。

fS（開關(guān)頻率）：在計算電感值之前，必須先考慮開關(guān)頻率。在200 kHz和2 MHz之間的一些頻率是一個合理的起點。如果你想要一些指導(dǎo)，你應(yīng)該贊成這個范圍的低端還是高端，請看一下我的文章，標(biāo)題是如何選擇你的開關(guān)調(diào)節(jié)器的頻率。

ΔIL：表示電感器電流紋波，即電感器電流的峰峰值變化，如圖2所示

降壓變換器電感電流紋波

?圖2。降壓變換器電感電流紋波

響應(yīng)于開關(guān)元件的導(dǎo)通/截止動作，降壓轉(zhuǎn)換器中的電感器電流向上和向下傾斜，在負(fù)載電流（其為電感器電流的平均值）之上和之下延伸。這些偏差的大小表示為電感器電流紋波（ΔIL）。

如果我們將電流紋波（CR）表示為預(yù)期負(fù)載電流的百分比，則建議的CR規(guī)格為30%。這意味著最大電感器電流高于預(yù)期負(fù)載電流15%，最小電感器電流低于預(yù)期負(fù)載電流15%。

您可能會看到像“最大負(fù)載電流”或“滿負(fù)載電流”這樣的術(shù)語，而不是“預(yù)期負(fù)載電流”。我將所有這些解釋為調(diào)節(jié)器需要長期提供的最大負(fù)載電流。當(dāng)設(shè)定ΔIL目標(biāo)時，我不會考慮異常高的瞬態(tài)電流。

計算降壓變換器電感實例

讓我們舉一個電感器尺寸的例子。我們將更改LTspice電路中的各種參數(shù)，這樣我們才真正在這里做一些新的事情。

讓我們想象一下，我們的目標(biāo)是接受相當(dāng)高的系統(tǒng)電壓，并生成適用于低功率、混合信號嵌入式系統(tǒng)的電壓軌。我們將說我們的額定輸入電壓是24伏，我們希望的輸出電壓是3.3伏。預(yù)期負(fù)載電流是70毫安。

開關(guān)調(diào)節(jié)器對于這種應(yīng)用是優(yōu)選的，因為大的輸入-輸出差將僅僅加強(qiáng)線性調(diào)節(jié)器固有的低效性。

因為我們會為一些模擬電路供電，所以我希望減少輸出電壓中的紋波。另外，我會選擇更高的開關(guān)頻率，比如說1.5 MHz，因為更高的開關(guān)頻率有助于減少輸出紋波。

我們還需要選擇初始工作循環(huán)。為此，我們可以使用電路在指定輸入和輸出電壓下所需的最大占空比，我們計算最大占空比如下：

效率的合理近似值為90%，因此我們的最大占空比約為15%：

在圖3中，我更新了開關(guān)頻率和占空比的示意圖。

具有更新的開關(guān)頻率和占空比的降壓轉(zhuǎn)換器功率級模擬示意圖

?圖3。具有更新的開關(guān)頻率和占空比的降壓轉(zhuǎn)換器功率級模擬示意圖

電容器C1的默認(rèn)值為1μF。我們將在未來的文章中討論電容器尺寸。

另外，注意我已經(jīng)用電流源ILOAD替換了負(fù)載電阻。這可確保負(fù)載電流為70 mA，而不管輸出電壓如何。

我們的電感計算如下：

以下內(nèi)容：

帶電感值的降壓變換器功率級模擬示意圖

?圖4。帶電感值的降壓變換器功率級模擬示意圖

降壓變換器功率級的模擬

圖5顯示了模擬我們的新型降壓轉(zhuǎn)換器的電感電流、負(fù)載電流和輸出電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流

?圖5。降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓（頂部紅色）、電感電流（底部綠色）和負(fù)載電流（底部范圍）

這些結(jié)果看起來不錯，但還有相當(dāng)多的細(xì)節(jié)有待檢驗。我們將在下一篇文章中繼續(xù)討論，并且我們還將考慮使用高于或低于我們使用公式確定的初始值的電感值的原因。