開關電源電感器選用的解決方案

開關電源一直以來都是電源業(yè)的主要產(chǎn)品。但是，隨著全球?qū)Ω吣苄Мa(chǎn)品需求的不斷增加，傳統(tǒng)上采用更廉價但低能效的線性電源市場也將轉(zhuǎn)向采用開關電源。在這一過渡時期，電源業(yè)為提高開關頻率而不懈努力，以滿足客戶對功率更大、占用空間更小的電源的要求。這種發(fā)展趨勢為開關電源開啟了新的市場，并使部分設計工程師面臨市場對開關電源設計的需求。

本文將闡明為非隔離式開關電源(SMPS)選用電感器的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設計的應用，像電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)和負載點(POL)型電源，但不包括基于更大底板的系統(tǒng)。

圖1所示為一個降壓拓撲結(jié)構(gòu)電源的架構(gòu)，該構(gòu)架廣泛應用于輸出電壓小于輸入電壓的系統(tǒng)。在典型的降壓拓撲結(jié)構(gòu)電路中，當開關(Q1)閉合時，電流開始通過這個開關流向輸出端，并以某一速率穩(wěn)步增大，增加速率取決于電路電感。根據(jù)楞次定律，di=E*dt/L，流過電感器的電流所發(fā)生的變化量等于電壓乘以時間變化量，再除以這個電感值。由于流過負載電阻RL的電流穩(wěn)定增加，輸出電壓成正比增大。

在達到預定的電壓或電流限值時，控制集成電路將開關斷開，從而使電感周圍的磁場衰減，并使偏置二極管D1正向?qū)?，從而繼續(xù)向輸出電路供給電流，直至開關再度接通。這一循環(huán)反復進行，而開關的次數(shù)由控制集成電路來確定，并將輸出電壓調(diào)控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個開關循環(huán)周期內(nèi)，流過電感器和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。

電感值對于在開關斷開期間保持流向負載的電流很關鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值，以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下，仍能夠為負載供應足夠的電流。為確定最小的電感值，需要知道如下信息：

·輸入電壓范圍

·輸出電壓及其規(guī)定范圍

·工作頻率(開關頻率)

·電感器紋波電流

·運行模式：連續(xù)運行模式還是非連續(xù)運行模式

下列公式用于計算降壓變換器所需的電感值。L1=Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)

連續(xù)運行模式下：dI 1/2I

為了算出適用于電源整個運行條件的最小電感值，對參數(shù)值的選擇必須能夠保證在各項參數(shù)處于最不利組合的條件下，所選擇的這一電感值仍能將紋波電流保持在特定的數(shù)值范圍內(nèi)。而針對降壓型電源，其最不利組合條件為：輸入電壓和頻率均處于各自的最低數(shù)值時。此外，還要將輸出電壓也取為其最小規(guī)定值，以確定能夠保持正常調(diào)節(jié)功能所需的最低電感值。設計者可以按照自己所習慣的方式，對這些數(shù)值進行控制，以達到最差條件成立的狀態(tài)。

按照表1中所列出的數(shù)據(jù)，最小電感值計算如下：

L1(min)=Vo(min)(1-Vo(min)/(Vin(min)-Von))/(f(min)·dI)

L1(min)=4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz * 0.5A)

L1(min)=10.6mh

因此，在這一具體應用中，電感器的電感值至少為10.6 mh，而其電流額定值也要在最低的20安培的工作電流之上，并保持足夠的安全系數(shù)。而如果選擇一個電感值低于此最小值的電感器，就將導致降壓變換器可能無法在最大電流下將其輸出電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

將電感值確定以后，實際電感器的設計必須符合相關電氣標準、系統(tǒng)尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應商均提供各種型號的標準產(chǎn)品，可滿足絕大多數(shù)的設計標準要求。但是，在設計中采用現(xiàn)貨供應的標準產(chǎn)品，有可能導致電感器的性能和尺寸方面有所不足，并可能最終對產(chǎn)品的銷售造成不利影響。而幸運的是，包括泰科電子CoEv 磁性組件部在內(nèi)的一些供應商，能夠提供必要的定制工程設計支持， 以滿足將特定電感值、電氣性能和外形限制要求結(jié)合在一款完全成熟的產(chǎn)品上，促進設計的最優(yōu)化。充分利用了業(yè)界的專業(yè)技術，從而最大程度地縮短了設計和測試的時間，加速產(chǎn)品的上市。