選擇降壓開關電壓調節器的電感值

選擇合適的電感器是開關調節器成功設計與實施的關鍵之一。本文將幫助您理解電感器值與電路性能之間的關系。

降壓轉換器，也稱為降壓變換器，是一種開關模式電壓調節器，能夠高效地將直流輸入電壓轉換為較低的直流輸出電壓。在本系列文章中，我們將使用LTspice來研究開關模式電壓轉換器的電氣行為。本文將開始探討與電路電感器相關的設計任務和權衡因素。

圖1中顯示的LTspice示意圖將使我們能夠模擬降壓轉換器的功率級。要構成一個完整的轉換器，我們還需要添加一個反饋控制環以調節電壓。

模擬降壓變換器功率級電路原理圖

?圖1。模擬降壓變換器功率級電路原理圖

降壓轉換器電感公式

Texas Instruments的應用說明提供了用于計算電感器尺寸的以下方程式：

VOUT：這是你想要設計的調節輸出電壓。最后，您可能會使用具有更高或更低輸出電壓的調節器，這是很好的，但如果您對輸出電壓進行重大更改，轉換器可能受益于新的電感值。

VIN：同樣，我們通常希望開關調節器能夠耐受一定范圍的輸入電壓，所以如果您的VIN不是固定的，那么您可以選擇一個在該范圍中間的值。

fS（開關頻率）：在計算電感值之前，必須先考慮開關頻率。在200 kHz和2 MHz之間的一些頻率是一個合理的起點。如果你想要一些指導，你應該贊成這個范圍的低端還是高端，請看一下我的文章，標題是如何選擇你的開關調節器的頻率。

ΔIL：表示電感器電流紋波，即電感器電流的峰峰值變化，如圖2所示

降壓變換器電感電流紋波

?圖2。降壓變換器電感電流紋波

響應于開關元件的導通/截止動作，降壓轉換器中的電感器電流向上和向下傾斜，在負載電流（其為電感器電流的平均值）之上和之下延伸。這些偏差的大小表示為電感器電流紋波（ΔIL）。

如果我們將電流紋波（CR）表示為預期負載電流的百分比，則建議的CR規格為30%。這意味著最大電感器電流高于預期負載電流15%，最小電感器電流低于預期負載電流15%。

您可能會看到像“最大負載電流”或“滿負載電流”這樣的術語，而不是“預期負載電流”。我將所有這些解釋為調節器需要長期提供的最大負載電流。當設定ΔIL目標時，我不會考慮異常高的瞬態電流。

計算降壓變換器電感實例

讓我們舉一個電感器尺寸的例子。我們將更改LTspice電路中的各種參數，這樣我們才真正在這里做一些新的事情。

讓我們想象一下，我們的目標是接受相當高的系統電壓，并生成適用于低功率、混合信號嵌入式系統的電壓軌。我們將說我們的額定輸入電壓是24伏，我們希望的輸出電壓是3.3伏。預期負載電流是70毫安。

開關調節器對于這種應用是優選的，因為大的輸入-輸出差將僅僅加強線性調節器固有的低效性。

因為我們會為一些模擬電路供電，所以我希望減少輸出電壓中的紋波。另外，我會選擇更高的開關頻率，比如說1.5 MHz，因為更高的開關頻率有助于減少輸出紋波。

我們還需要選擇初始工作循環。為此，我們可以使用電路在指定輸入和輸出電壓下所需的最大占空比，我們計算最大占空比如下：

效率的合理近似值為90%，因此我們的最大占空比約為15%：

在圖3中，我更新了開關頻率和占空比的示意圖。

具有更新的開關頻率和占空比的降壓轉換器功率級模擬示意圖

?圖3。具有更新的開關頻率和占空比的降壓轉換器功率級模擬示意圖

電容器C1的默認值為1μF。我們將在未來的文章中討論電容器尺寸。

另外，注意我已經用電流源ILOAD替換了負載電阻。這可確保負載電流為70 mA，而不管輸出電壓如何。

我們的電感計算如下：

以下內容：

帶電感值的降壓變換器功率級模擬示意圖

?圖4。帶電感值的降壓變換器功率級模擬示意圖

降壓變換器功率級的模擬

圖5顯示了模擬我們的新型降壓轉換器的電感電流、負載電流和輸出電壓。

降壓轉換器輸出電壓、電感電流和負載電流

?圖5。降壓轉換器輸出電壓（頂部紅色）、電感電流（底部綠色）和負載電流（底部范圍）

這些結果看起來不錯，但還有相當多的細節有待檢驗。我們將在下一篇文章中繼續討論，并且我們還將考慮使用高于或低于我們使用公式確定的初始值的電感值的原因。