解析電感上的DC電流效應(yīng)
發(fā)布時(shí)間:2020-07-09 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值,還要考慮電感可承受的電流,繞線電阻,機(jī)械尺寸等等。本文專注于解釋:電感上的 DC 電流效應(yīng)。這也會(huì)為選擇合適的電感提供必要的信息。
在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值,還要考慮電感可承受的電流,繞線電阻,機(jī)械尺寸等等。本文專注于解釋:電感上的 DC 電流效應(yīng)。這也會(huì)為選擇合適的電感提供必要的信息。
理解電感的功能
電感常常被理解為開關(guān)電源輸出端中的 LC 濾波電路中的 L(C 是其中的輸出電容)。雖然這樣理解是正確的,但是為了理解電感的設(shè)計(jì)就必須更深入的了解電感的行為。
在降壓轉(zhuǎn)換中(Fairchild 典型的開關(guān)控制器),電感的一端是連接到 DC 輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或 GND。
在狀態(tài) 1 過程中,電感會(huì)通過(高邊 “high-side”)MOSFET 連接到輸入電壓。在狀態(tài) 2 過程中,電感連接到 GND。由于使用了這類的控制器,可以采用兩種方式實(shí)現(xiàn)電感接地:通過 二極管接地或通過(低邊“low-side”)MOSFET 接地。如果是后一種方式,轉(zhuǎn)換器就稱為“同步(synchronus)”方式。
現(xiàn)在再考慮一下在這兩個(gè)狀態(tài)下流過電感的電流是如果變化的。在狀態(tài) 1 過程中,電感的一端連接到輸入電壓,另一端連接到輸出電壓。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器,輸 入電壓必須比輸出電壓高,因此會(huì)在電感上形成正向壓降。相反,在狀態(tài) 2 過程中,原來(lái)連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器,輸出電壓必 然為正端,因此會(huì)在電感上形成負(fù)向的壓降。
我們利用電感上電壓計(jì)算公式:V=L(dI/dt)
因此,當(dāng)電感上的電壓為正時(shí)(狀態(tài) 1),電感上的電流就會(huì)增加;當(dāng)電感上的電壓為負(fù)時(shí)(狀態(tài) 2),電感上的電流就會(huì)減小。通過電感的電流如圖 2 所示:
通過上圖我們可以看到,流過電感的最大電流為 DC 電流加開關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據(jù)上述的公式,我們可以計(jì)算出峰值電流:
其中,ton 是狀態(tài) 1 的時(shí)間,T 是開關(guān)周期(開關(guān)頻率的倒數(shù)),DC 為狀態(tài) 1 的占空比。
警告:上面的計(jì)算是假設(shè)各元器件(MOSFET 上的導(dǎo)通壓降,電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降)上的壓降對(duì)比輸入和輸出電壓是可以忽略的。
如果,器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精確計(jì)算:
同步轉(zhuǎn)換電路:
異步轉(zhuǎn)換電路:
其中,Rs 為感應(yīng)電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R 是 Rs 加 MOSFET 導(dǎo)通電阻,R=Rs+Rm。
電感磁芯的飽和度
通過已經(jīng)計(jì)算的電感峰值電流,我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會(huì)知道,隨著通過電感的電流增加,它的電感量會(huì)減小。這是由于磁芯材料的物理特性決 定的。電感量會(huì)減少多少就很重要了:如果電感量減小很多,轉(zhuǎn)換器就不會(huì)正常工作了。當(dāng)通過電感的電流大到電感實(shí)效的程度,此時(shí)的電流稱為“飽和電流”。這 也是電感的基本參數(shù)。
實(shí)際上,轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會(huì)有一個(gè)“軟”飽和度。要了解這個(gè)概念可以觀察實(shí)際測(cè)量的電感 Vs DC 電流的曲線:
當(dāng)電流增加到一定程度后,電感量就不會(huì)急劇下降了,這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加,電感就會(huì)損壞了。
注意:電感量下降在很多類的電感中都會(huì)存在。例如:toroids,gapped E-cores 等。但是,rod core 電感就不會(huì)有這種變化。
有了這個(gè)軟飽和的特性,我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會(huì)規(guī)定在 DC 輸出電流下的最小電感量;而且由于紋波電流的變化也不會(huì)嚴(yán)重影響電感量。在 所有的應(yīng)用中都希望紋波電流盡量的小,因?yàn)樗鼤?huì)影響輸出電壓的紋波。這也就是為什么大家總是很關(guān)心 DC 輸出電流下的電感量,而會(huì)在 Spec 中忽略紋波電流 下的電感量。
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