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技術(shù)專題
如何為降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感器
作為用于高耗電應用的DC-DC轉(zhuǎn)換器設計的一部分，組件選擇對于確保向負載穩(wěn)定地高效輸送功率非常重要。
在眾多的DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲中，降壓轉(zhuǎn)換器在將輸入電壓降低到較低水平同時提供高效功率轉(zhuǎn)換方面有很多用途。這些功率轉(zhuǎn)換器的組件選擇常見問題是如何為降壓轉(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)換器拓撲如下所示。在此圖中，MOSFET的輸出由PWM信號驅(qū)動，該PWM信號以用戶選擇的占空比打開和關閉MOSFET。當PWM信號切換時，電感器和電容器在向負載提供穩(wěn)定電流方面起著至關重要的作用。最后，PWM信號的占空比是主要功能，允許用戶控制輸送到負載的輸出電壓。
電感器將不斷以與PWM信號相同的速率進行開關，因此它負責在發(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L濾波器，它基本上是一個二階帶通濾波器。假設您使用的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計可承受的所需紋波電流，以及計劃用于PWM信號的占空比。下式顯示了輸出電壓隨二極管正向壓降和MOSFET導通狀態(tài)壓降的關系。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導通狀態(tài)壓降的函數(shù)。
我將跳過一些數(shù)學運算，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信號的上升時間在兩個方程式中均不出現(xiàn)。但是，上升時間很重要，因為它在確定轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪聲和損耗方面起著重要的作用（更多信息請參見下文）。重要的結(jié)果可以總結(jié)如下：
增大占空比會減少紋波，但也會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信號將減少較高PWM頻率產(chǎn)生的這些損耗（再次參見下文）。
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，請使用較大的電感器以減少紋波。
為什么PWM上升時間很重要
電感器負責產(chǎn)生并同時抑制輸出電流的紋波，盡管可以使用上述準則將其設置為設計目標。但是，電感器無法控制任何開關調(diào)節(jié)器的一些重要方面：
開關元件的輻射EMI：來自晶體管的開關噪聲會在下游電路中產(chǎn)生一些噪聲。
由集膚效應引起的熱損耗：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：晶體管在開關和調(diào)節(jié)過程中會散發(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，因為MOSFET將在PWM振蕩之間更完全地關斷。
這些噪聲源取決于PWM信號的頻率和邊沿速率。如果在不改變占空比的情況下以較高的開關頻率運行降壓轉(zhuǎn)換器，則通常會因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集膚效應損失更多熱量的風險。