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如何正确选择电感电流纹波

2023/04/24
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简介

开关稳压器输入电压转换为更高或更低的输出电压。为此,需要使用电感来暂时储存电能。电感的尺寸取决于开关稳压器的开关频率和流经电路的预期电流。究竟应如何正确选择电感值?可以使用包含电感电流纹波的常用公式来确定电感值。在大部分开关稳压器的数据手册,以及大部分应用笔记和其他说明文本中,电感电流纹波建议在标称负载工作的30%。这意味着在标称负载电流下,电感电流波峰和电感电流波谷分别比平均电流高15%和低15%。为何选择30%的电感电流纹波或电流纹波比(CR)可以说是不错的折衷方案?


图1.使用降压转换器时相应的电感电流纹波。

对于降压转换器,例如图1所示的转换器,公式1适用:

此公式基于电流纹波比CR计算降压转换器所需的电感值L。该比值一般指定为0.3,或30%峰峰纹波。在该公式中,D表示占空比,T表示周期时间,取决于各自的开关频率。

使用不同的电感电流纹波会怎么样?

图2.标称负载下,纹波电流比为30%的电感电流纹波(红色)、小电感电流纹波(蓝色)和大电感电流纹波(绿色)。

图2中,红色线条表示电路的电感电流纹波(电流纹波比(CR)为30%,输出电流为3A。这是开关稳压器电路设计中常见的折衷选择。蓝色波形对应的电感电流纹波为133%,绿色波形对应的电感电流纹波为7%。


图3.部分负载下,纹波电流比为30%的电感电流纹波(红色)、小电感电流纹波(蓝色)和大电感电流纹波(绿色)。

图3显示相同的电路以部分标称负载作为输出电流(例如1A)运行时的情况。在高电感电流纹波下,如图3中的蓝色波形所示,电感会在每个周期完全放电。这个模式称之为断续导通模式(DCM)。在这种模式下,控制环路的稳定性发生变化,可能产生更高的输出电压纹波

所以需要采用一定的纹波电流比,以避免出现DCM。在纹波电流比为30%时,能得到不错的折衷结果。如果纹波电流比较低,即使在部分负载下,系统大部分时间也会在连续电流导通模式下运行。所以,通过对电路进行优化,便可在该模式下运行。

选择的纹波电流比过高会怎么样?

纹波电流比高于30%时,电感尺寸更小,成本更低。但是,峰值电流大幅增高,会产生大量电磁干扰(EMI),远高于典型电路能够接受的水平。此外,要使用连续导通模式(CCM),负载电流要达到更高。这还不是问题,但是在这个模式下,其工作特性会发生改变,在设计电路时,这一点必须考虑在内。

此外,相较于较低的电感电流纹波,还会导致更高的输出电压。

选择的纹波电流比过低会怎么样?

纹波电流比低于30%时,电感尺寸更大,成本更高。因为储能设备的尺寸很大,负载瞬态响应会更低一些。例如,在快速断开高负载电流时,电感中存储的电能必须传输到某些地方。这会导致输出电容(COUT)两端的电压升高。电感中的电能越多,输出电压就越高。过压可能会损坏供电电路。

在权衡不同的电感电流纹波比的优缺点之后,我们发现,对于大部分应用,约30%左右的电流纹波比更为合用。但是,在有些情况下,也可以有所偏离,只要结果可以接受。

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亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。

亚德诺半导体全称为亚德诺半导体技术有限公司(analog devices,inc.)简称ADI。是一家专营半导体传感器和信号处理ic的卓越的供应商,ADI将创新、业绩和卓越作为企业的文化支柱,并基此成长为该技术领域最持久高速增长的企业之一。ADI是业界卓越的半导体公司,在模拟信号、混合信号和数字信号处理的设计与制造领域都发挥着十分重要的作用。收起

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