PCBA电子工程师如何正确选择电感电流纹波?

2023-03-27 16:07:32 徐继 40

开关稳压器将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?

对于降压转换器,例如图1所示的转换器,公式1适用:

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图1. 使用降压转换器时相应的电感电流纹波。

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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%。

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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。

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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)。

 

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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