DC-DC升压和降压电路电感参数选择详解

DC-DC 升压和降压电路电感参数选择

注：只有充分理解电感在DC-DC 电路中发挥的作用，才能更优的设计DC-DC 电路。本文 还包括对同步DC-DC 及异步DC-DC 概念的解释。

DC-DC 电路电感的选择简介

在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还 要考虑电感可承受的电流,绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释:电感上的DC 电流 效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

理解电感的功能

电感常常被理解为开关电源输出端中的LC 滤波电路中的L （ C 是具中的输出电容1虽然这 样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。在降压转换中 （Fairchild 典型的开关控制器），电感的一端是连接到DC 输出电压。另一端通过开关频率 切换连接到输入电压或GND 。

Figure 1. Basic Switching Action of a Converter

在状态1过程中，电感会通过（高边"high-side" ） MOSFET 连接到输入电压。在状态2 过程中,电感连接到GND 。由于使用了这类的控制器,可以采用两种方式实现电感接地: 通过二极管接地或通过（低边"low-side" ） MOSFET 接地。如果是后一种方式，转换器 就称为"

同步▼ State 2

（synchronus ）"方式。

现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中，电感的 F连接到输入电压,另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器,输入电压必须1：匕输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反,在状态2过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器,输出电压必然为正端,因此会在电感上形成负向的压降。我们利用电感上电压计算公式:

V=L（dI/dt）

因此，当电感上的电压为正时（状态1）,电感上的电流就会增加；当电感上的电压为负时（状态2）,电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示：

Figure 2. Inductor Current

通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流：

其中，ton 是状态1的时间，T 是开关周期（开关频率的倒数），DC 为状态1的占空比。 警告：上面的计算是假设各元器件（MOSFET 上的导通压降,电感的导通压降或异步电路 中肖特基二极管的正向压降）上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。

如果，器件的下降不可忽略,就要用下列公式作精确计算：

同步转换电路：

T

_T ^l(V in -V out -IxR)(V out + IxR)^ J PK = J DC + 2 L V_ —1

异步转换电路： 一 十 lx% 十 Vf)

(V iQ -IxR M + V f ) 其中，Rs 为感应电阻阻抗加璽绕线电阻的阻。Vf 是肖特基二极管的正向压降。R 是Rs 加MOSFET 导通电阻，R=Rs+Rm o 电感磁芯的饱和度 通过已经计算的电感峰值电流，我们可以发现电感上产生了什么。很容易会知道，随着通过

电感的电流增加，它的电感量会减小。这是由于磁芯材料的物理特性决走的。电感星会减少 多少就很重要了 ：如果电感呈减小很多，转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到 电感实效的程度，此时的电流称为〃饱^电流〃。这也是电感的基本参数。

实际上，转换电路中的开关功率电感总会有一个〃软〃饱和度。要了解这个概念可以观察实 “DC 十严一 Wo

【DC ， 1(V —xTxDC

+ 2 L

际测星的电感VsDC 电流的曲线：

当电流增加到一走程度后，电感呈就不会急剧下降了『这就称为"软〃饱和特性。如果电流 再增加,电感就会损坏了。

注意：电感臺下降在很多类的电感中都会存在。例如：toroids , gapped E-cores 等。但 是,rodcore 电感就不会有这种变化。

有了这个软饱和的特性，我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规走在DC 输出电流 下的最小电感星；而且由于纹波电流的变化也不会严重影响电感量。在所有的应用中都希望 纹波电流尽量的小,因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心DC 输 出电流下的电感呈，而会在Spec 中忽略纹波电流下的电感量。

(H2.)

一

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