BUCK电路功率电感的取值，如何确定？(1)

01、简介 /

图1：TPS54561DPRT参考电路设计需求

图2：TPS54561DPRT参考电路电感计算

图3：TPS54561DPRT参考电路原理图

以TPS54561DPRT规格书中的参考电路为例，图1是设计需求（该设计需求中也仅有常见的几个参数，还有很多其他参数并未标明）；图2是其中电感元件选型的相关计算，包括电感值、纹波电流、均方根电流、峰值电流；图3是参考电路的原理图。

很多工程师在电路设计或元件选型时，各元件的参数都会选择与参考设计相同。但是，我们需要知道的是，规格书给出的“参考设计”是仅做“参考”的，“参考设计”中的参数选型依赖于“设计需求”中对各电路参数的期望，或者说是有一定适用条件的。

所以，原则上，如果我们自己的电路设计需求中相关参数与“参考设计”中的参数有较大差异，各元件值都需要重新计算。

所以，此文就来分析下，BUCK电路设计中，功率电感如何取值？或者说，功率电感取值范围是多少，实际可以取多少？

02、功率电感值计算公式 /

图4：“3.1.5 降压电路感值计算公式的推导”章节内容

参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》[《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》前言][《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》目录]“3.1.5 降压电路感值计算公式的推导”章节内容，公式(3.32)就是BUCK电路功率电感取值计算公式，在输入电压取最大值V(IN,MAX)时，与图2中TPS54561DPRT规格书计算公式(31)是等同的。

参考公式(3.32)，在进行功率电感取值计算之前，我们需要首先确定电路中使用的纹波电流系数 r 是多少[BUCK电路设计，你知道电流纹波系数 r 有多重要么？(1)]，这里我们直接给出适用于多数应用的建议值 r = 0.3 ；其次，最大负载电流I(OUT,MAX)、开关频率FSW、输出电压值VOUT也是在功率电感取值前需要确定的参数。所以，不确定的参数只有输入电压VIN了。

可能有些工程师会迷惑，输入电压应该也是确定的参数...多数应用中输入电压是确定的典型值，并不代表所有BUCK电路的输入电压都是确定的典型值。

这里说输入电压不确定，其一是因为完备的BUCK电路设计，需要支持一定的输入电压范围，比如图3中的“7V to 60V”，这是因为EVB设计需要考兼容性；其二，针对锂电池应用，单个cell锂电池电压是3.7V - 4.2V，如果4cell串联，电池电压就是14.8V - 16.8V，那么后端的BUCK电路输入电压就是一个范围。

03、TPS54561DPRT参考电路电感值 /

参考公式(3.32)或图2中TPS54561DPRT规格书计算公式(31)，在r = 0.3、最大负载电流5A、开关频率400kHz条件下：

当输入电压取最小值7V时，计算所需的功率电感值为 ( 7V - 5V) * (5V / 7V) / ( 0.3 * 5A * 400kHz ) = 2.38uH ，实际可取相近的标准感值2.2uH；

当输入电压取典型值12V时，计算所需的功率电感值为 ( 12V - 5V) * (5V / 12V) / ( 0.3 * 5A * 400kHz ) = 4.86uH ，实际可取相近的标准感值4.7uH；

当输入电压取最大值60V时，计算所需的功率电感值为 7.63uH ，实际可取相近的标准感值7.2uH；

所以，这里给出的建议是：

① 如果电路实际输入电压仅有典型值12V，那就选择4.7uH电感值即可；此时电路对应的纹波电流实际值也会在 0.3 * 5A = 1.5A 附近。

② 如果电路实际输入电压从7V - 60V，那就选择7.2uH电感值即可；此时电路对应的纹波电流实际值也会在 0.3 * 5A = 1.5A 附近。

问题是：如果电路实际输入电压从7V - 60V，选择2.2uH电感值是否可行呢？在电感额定电流参数满足的情况下，2.2uH电感值也不是不可以；但是，带来一个相关参数变化就是，在输入电压最大60V时，电路对应的纹波电流实际值就会偏离 0.3 * 5A = 1.5A 较多，具体是 ( 60V - 5V ) * ( 5V/60 ) / ( 2.2uH * 400kHz ) = 5.2A（计算公式参考图5）。这又会带来什么问题呢？一系列问题，限于篇幅，此处不述。

图5：纹波电流实际值计算公式

04、MPS论坛的解释 /

图6：MP2330C EVB电路

在输出电压3.3V、负载电流3A、开关频率650kHz、纹波电流系数取 r = 0.3 的情况下：

如果输入电压是19V，电感值是 ( 19V - 3.3V) * (3.3V / 19V) / ( 0.3 * 3A * 650kHz ) = 4.66uH，这与EVB中给出的3.3uH相差了1.3uH，相对较多。

如果输入电压是5V，电感值是 ( 5V - 3.3V) * (3.3V / 5V) / ( 0.3 * 3A * 650kHz ) = 1.92uH，这与EVB中给出的3.3uH也差了1.3uH，相对较多。

MPS工程师给出的解释是：“MP2330C是一颗24V的降压芯片，支持比较宽范围的输入，不仅是19V，更低电压12V/5V或者更低电压下都能输出3.3V。DEMO板设计时需要综合考量全范围的情况，因此选择了3.3uH的电感。” 参考链接：https://forum.monolithicpower.cn/t/topic/516/8

05、小结 /

参考[BUCK电路输入端的ESR阻性纹波电压]文章中的观点：

不同的资料中输入电容ESR纹波电压分量的表达式不同，是因为它们选择的“电流变化量”这个参数不同（不同工程师的理解不同），最终它们都是“欧姆定律 U = I * R”的体现。所谓“万变不离其宗”，欧姆定律是“宗”，这些不同的电流参数、不同的输入电容ESR纹波电压分量的表达式是“万变”。

针对BUCK电路功率电感取值也是，TI资料倾向于参考输入电压最大值进行功率电感取值，MPS资料倾向于综合考量输入电压范围。“万变不离其宗”，公式是“宗”，参数是“万变”，只有掌握了公式，才不会被具体的最大值、典型值、最小值等迷惑而感到困惑。