耦合濾波電感原理

應(yīng)幾位網(wǎng)友的要求，下面給大家簡單講講在buck變換器基礎(chǔ)上發(fā)展出來的正激、半橋、推挽和全橋PWM變換器多路輸出中常采用的耦合濾波電感的工作原理。因?yàn)樗接邢?，只能用仿真軟件來簡單介紹一下工作原理和設(shè)計(jì)思路。

常見的PWM控制的正激、半橋、推挽和全橋，其實(shí)質(zhì)還是一個(gè)buck變換器。為了簡化分析過程，變壓器前面的部分我就不說了。僅僅從變壓器后面部分開始說明。

對(duì)于多路輸出的電源，通常變壓器次級(jí)有多個(gè)繞組，按照不同的輸出電壓要求，繞組的匝數(shù)按照相應(yīng)的比例來設(shè)計(jì)。但是反饋回路一般只有一個(gè)，而且通常是取功率輸出最大的那一路來反饋。

假設(shè)有這么一個(gè)正激電源，輸出為：

5V/10A

3.3V/20A

實(shí)際電源中，反饋回路是從3.3V這路取樣。

再假設(shè)每路輸出的整流管都是二極管，壓降為0.5V。

再假設(shè)如下參數(shù)：

開關(guān)頻率f=50KHz

滿載占空比，低壓輸入時(shí)為Dmax=0.4

高壓輸入時(shí)為Dmin=0.2

那么根據(jù)這些參數(shù)，我們可以來計(jì)算每一路的濾波電感的數(shù)值應(yīng)該為多少，假設(shè)電流的紋波為20%，根據(jù)工作原理，最大電流紋波出現(xiàn)在最高輸入電壓最大輸出負(fù)載時(shí)：

由此我們也可以知道變壓器次級(jí)5V繞組和3.3V繞組之間的匝比關(guān)系為：

n=13.75/9.5=1.447

有了以上參數(shù)，我們就可以建立一個(gè)簡單的電路模型來模擬雙路輸出的正激變換器的次級(jí)部分了。為了簡單起見，我們采用開環(huán)控制，這樣的話，輸出一開始會(huì)有過沖，我們可以等穩(wěn)定以后再分析數(shù)據(jù)，忽略前面過沖的部分。實(shí)際電路由于有反饋環(huán)，過沖是不存在的。我們用Vpulse這么模型來模擬次級(jí)的變壓器繞組輸出，二極管采用MBR2540，電感和電容都是采用的理想元件，沒有考慮ESR等雜散參數(shù)。建立如下電路圖，模擬在最低輸入電壓兩路都是最大輸出時(shí)的狀態(tài)：

然后如下參數(shù)設(shè)定時(shí)域掃描

掃描完成后，觀察輸出電壓：

從圖上可以看出，待穩(wěn)定后，輸出電壓是正常的，滿足設(shè)計(jì)要求。

看看此時(shí)兩個(gè)電感的電流波形，注意要把電壓探頭刪掉，換成兩個(gè)電流探頭，分別放在兩個(gè)電感輸入端，同時(shí)把波形圖的橫坐標(biāo)展開，觀察9.9ms到10ms這部分：

從電感電流波形可以看出，兩路輸出的電感電流都是處于連續(xù)模式的。

現(xiàn)在假設(shè)，3.3V輸出的負(fù)載不變，5V輸出的這路輸出電流降低，輸出電流從10A降到了0.25A，因?yàn)閷?shí)際電源的反饋是取自3.3V輸出的。那么由于3.3V這路的輸出沒有改變。所以電路的工作占空比沒有發(fā)生變化，那么這時(shí)候，會(huì)發(fā)生什么事情呢？

首先修改5V的輸出負(fù)載電阻為20歐。

然后，修改時(shí)域掃描的時(shí)間，把掃描時(shí)間增加為20ms，以保證輸出完全穩(wěn)定下來，仿真結(jié)束后，如上圖再次放上電壓探頭，看看此時(shí)的輸出電壓是如何變化的：

從圖中可以看出，3.3V那路的輸出還是正常的，而5V那路的輸出已經(jīng)飆升到了7.5V左右。

同樣把電壓探頭刪掉，換成電流探頭，看看電感電流波形。只不過，這次把時(shí)間軸設(shè)置成19.9ms～20ms，看看：

從圖中可以看出，5V輸出這路，由于負(fù)載電流太小，已經(jīng)進(jìn)入了DCM模式。那么輸出電壓已經(jīng)不再是Vout=Vin×D了。

這就是多路輸出，獨(dú)立濾波電感存在的一個(gè)嚴(yán)重問題。為了解決這個(gè)問題，就引入了耦合電感這個(gè)方法。

在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，通常把所有的輸出都折算到某一路輸出來計(jì)算磁芯的參數(shù)，然后按照每路輸出電流來選擇線徑。同時(shí)，必須使每路輸出電感的匝數(shù)比與變壓器次級(jí)每個(gè)繞組的匝數(shù)比相同！

我們來嘗試計(jì)算一下：

假如把5V繞組輸出折算到3.3V繞組的輸出，那么：

Iout=（5×10+3.3×20）/3.3=35.15A

輸出濾波電感應(yīng)該為

有了這兩個(gè)數(shù)值，我們就可以根據(jù)AP法求出實(shí)際的磁芯大小。這里我就省略了。

我們前面已經(jīng)有了5V變壓器繞組和3.3V變壓器繞組的匝比關(guān)系n=1.447，現(xiàn)在根據(jù)能量的關(guān)系來計(jì)算耦合電感的每一路輸出的電感量：

把原理圖中的兩個(gè)電感的電感量分別設(shè)置為以上參數(shù)。然后放置一個(gè)耦合元件K_Linear，并將其參數(shù)L1、L2分別設(shè)置為兩個(gè)電感的名字l1，l2。設(shè)置好負(fù)載電阻的阻值：

先看看都是滿載輸出的時(shí)候的情況，輸出電壓：

從圖中可以看出，輸出電壓都是正常的，滿足設(shè)計(jì)需要。再看看把5V輸出的負(fù)載電阻改成20歐的結(jié)果會(huì)怎么樣，下面是仿真后的輸出電壓波形：

可以看到，即便把5V的輸出負(fù)載變成20歐，此路輸出的電壓依然能夠保持在一個(gè)比較正常的值，而不像獨(dú)立電感時(shí)，電壓會(huì)飆升到7.5V。這就是耦合電感帶來的好處。

很慚愧，我并沒有耦合電感輸出的正激電源的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。所以，以上只能從基本原理的角度給大家一些原理性分析。具體的設(shè)計(jì)過程是否合理，我不能確認(rèn)。歡迎有此類設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的朋友參與討論。另外，實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，元件不是理想化的，耦合電感會(huì)存在漏感，而漏感也會(huì)影響交叉調(diào)整率，所以，實(shí)際情況會(huì)復(fù)雜的多，耦合電感的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)會(huì)非常重要。