如何選擇同步整流型降壓轉(zhuǎn)換器的電感器（上）

本系列文章將以轉(zhuǎn)換器 IC 評估板的參考電路為主題，說明選擇各種分立元件時的重要特性。在講解過程中，通過使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數(shù)，并使用仿真波形和計(jì)算值檢查電路的變化，解釋特性與電路之間的關(guān)系。在之前《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法（上）》《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法（下）》中，我們介紹了如何選擇同步整流器型降壓轉(zhuǎn)換器電路所需的輸入/輸出電容器，同時通過仿真確認(rèn)電容器特性的影響。

《如何在同步整流變換電路中選擇電感器》將分為上、下兩篇，解釋如何選擇同步整流型降壓轉(zhuǎn)換器電路所需的電感器，同時使用 LTspice 仿真確認(rèn)電感器特性的影響。本文將介紹電感器在電源電路中的作用和電感值：L。在下篇，我們將對“額定電流 Isat 、Itemp”、“直流電阻 Rdc”、“自諧振頻率 SRF”和“電感器的種類”進(jìn)行說明。

電感器在電源電路中的作用

電感器是電源電路的元件之一，與電阻器和電容器一起發(fā)揮著重要作用。如下圖 (圖1) 所示，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中使用電感器時，從電源 IC 側(cè)供電的時間 (t1) 和不供電的時間 (t2) 交替重復(fù)。從 IC 提供電流的時間是向負(fù)載側(cè)提供電流，同時在電感器中存儲磁能。當(dāng)它不是從 IC 側(cè)供電時，存儲在電感器中的磁能向負(fù)載側(cè)提供電流。

圖1 電源電路

要點(diǎn)

作為電流源，利用電感器的特性向負(fù)載提供電流 (施加電流時，電感器會努力保持該狀態(tài))。

平滑電源 IC 的方波輸出，并將其轉(zhuǎn)換為直流電。

電感值：L

當(dāng)流經(jīng)電感器的電流發(fā)生變化時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。電動勢的大小可以用以下方程表示：

V＝Ldi/dt

在電源關(guān)系中，經(jīng)常使用該方程的變體 Δi/Δt = V/L。換句話說，當(dāng)電壓 (V) 施加到電感器時，電流變化 (Δi/Δt) 與電感值 (L) 成反比。L 值是影響電感器紋波電流和負(fù)載響應(yīng)特性非常重要的參數(shù)。隨著流過電感器的電流增加，磁性材料發(fā)生磁飽和，L 值減小，這稱為“直流疊加特性”。如下表 (表1) 中顯示的 L 值是直流疊加電流為 0A 時的值。

一般來說，L 值越高，紋波電流 (ΔIL) 越小，噪聲 (紋波電壓) 越小。此外，由于峰值電流較小，電流不易超過電源 IC 的過流保護(hù)功能的閾值，這使得過流保護(hù)功能難以運(yùn)行，可以提高最大輸出電流。但是由于斜坡電流速度較慢，因此每單位時間的電流增加量減少，導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)變差。如果 L 值很小，則相反，如下表所示：

表1 L 值的影響

根據(jù)電源 IC 的規(guī)格，從以下公式中可以獲得適當(dāng)?shù)?L 值：

其中，Vin：輸入電壓；Vout：輸出電壓；fsw：開關(guān)頻率；Iout：負(fù)載電流；r：電流紋波比 (適當(dāng)?shù)臄?shù)值為 0.3~0.4)。電流紋波比 r 由下式得出：

ΔIL 是電感紋波電流，它由以下等式表示：

從這個方程中可以看出，紋波電流與 L 的值成反比。但是，由于電源 IC 的數(shù)據(jù)手冊中描述了適當(dāng)?shù)?L 值，因此建議參考制造商推薦的參考電路進(jìn)行選擇。

一、確認(rèn)電感電流

首先，通過仿真確認(rèn) L 值對電感電流的影響。仿真電路如下圖 (圖2) 所示。在此電路配置中，原本 2.2μH 是 L1 的適當(dāng)值，但為了明確差異，我們將比較以下兩個差異極大的值。電感器 L1 的值為 4.7μH 和 1.0μH，比較電感電流。

圖2 L 值對電感電流影響的仿真電路

仿真結(jié)果如下圖(圖3)所示：

圖3 L 值對電感電流影響的仿真結(jié)果

4.7μH 時的紋波電流 (ΔIL) 約為 0.32A，1.0μH 時的紋波電流約為 1.50A。由此可見，L 值與紋波電流 (ΔIL) 之間的關(guān)系成反比。

二、確認(rèn)輸出電壓狀態(tài)

接下來更改 L 值以檢查輸出電壓的狀態(tài)。仿真電路如下圖 (圖4) 所示。電路配置與圖 2 相同，但進(jìn)行比較的是輸出電壓。同樣，將電感 L1 的值在 4.7μH 和 1.0μH 時進(jìn)行比較。

圖4 L 值對輸出電壓影響的仿真電路

仿真結(jié)果如下圖(圖5)所示：

圖5 L 值對輸出電壓影響的仿真結(jié)果

4.7μH 時的紋波電壓約為 3.5mV，1.0μH 時的紋波電壓約為 19.8mV，由此可以確認(rèn)，電感電流越大，輸出電壓的紋波電壓越高。如果無法更改電感值，則必須增加電容器的電容以降低紋波電壓。

三、確認(rèn)瞬態(tài)響應(yīng)狀態(tài)

現(xiàn)在更改 L 值并檢查瞬態(tài)響應(yīng)狀態(tài)。仿真負(fù)載波動電流仿真的條件設(shè)置為：在 0.1us 內(nèi)，從 0.5A 增加到 1.5A，1ms 內(nèi)電流為 1.5A，在 0.1us 內(nèi)電流從 1.5A 減小到 0.5A。仿真電路如下圖 (圖6) 所示?；倦娐方Y(jié)構(gòu)配置與圖 2、圖 4 相同，但這里連接了一個電流源作為負(fù)載來承載負(fù)載電流。同樣，將輸出電壓與電感 L1 值為 4.7μH 和 1.0μH 進(jìn)行比較。

圖6 L 值對瞬態(tài)響應(yīng)影響的仿真電路

仿真結(jié)果如下圖 (圖7) 所示：

圖7 L 值對瞬態(tài)響應(yīng)影響的仿真結(jié)果

如上表 (表1) 斜坡電流速度列中所述，大電感將導(dǎo)致瞬態(tài)響應(yīng)不佳 (響應(yīng)速度慢)。如果比較負(fù)載電流快速波動期間 4.7μH 和 1.0μH 的輸出電壓，可以看出 4.7μH 的波動更大。由此可以看出，電感值會影響瞬態(tài)響應(yīng)期間的輸出電壓狀態(tài)。

四、確認(rèn)負(fù)載電流增加的狀態(tài)

接下來讓我們通過仿真來看看當(dāng)負(fù)載電流為 2.8A (大于前面提到的 1.5A) 時會發(fā)生什么現(xiàn)象。仿真電路如圖 8 所示。使用 Load2 作為負(fù)載，在一定時間內(nèi)將電流從 1A 增加到 2.8A。同樣，將電感 L1 值為 4.7μH 與 1.0μH 時的輸出電壓進(jìn)行比較。

圖8 高負(fù)載電流模擬電路

在仿真之前，作為初步知識，將對電源集成電路輸出電流增大時的過電流保護(hù) (OCP：Over Current Protection) 功能進(jìn)行說明。過電流保護(hù)功能是由于輸出短路等事故導(dǎo)致輸出電流異常大時，停止電源 IC 的輸出的功能。這可以防止電源 IC 的特性劣化、故障運(yùn)行和因電流過大而造成的損壞。檢測過電流和停止輸出的方法因產(chǎn)品而異。

在這個仿真中，由于負(fù)載電流增加，可能會激活電源 IC 的過電流保護(hù)功能 (該 IC 為頻率衰減型：通過降低振蕩頻率、減小最小導(dǎo)通占空比來限制輸出電流的方式)。有關(guān)過電流保護(hù)功能的詳細(xì)信息，請參閱每個產(chǎn)品的說明/手冊等。

電感 L1 = 4.7μH 時的仿真結(jié)果

負(fù)載電流立即增加后，負(fù)載電流變化如此之快，以至于無法跟蹤 IC 輸出電壓的補(bǔ)償速度，因此電壓在負(fù)載電流迅速增加后立即下降，但抑制了電感峰值電流的變化，并且沒有超過電源 IC 的過電流保護(hù)功能的閾值。因此，過電流保護(hù)功能未激活，正常運(yùn)行繼續(xù)。

圖9 電感 L1 = 4.7μH 時的仿真結(jié)果

電感 L1 = 1.0μH 時的仿真結(jié)果

如果電感的 L 值較小，紋波電流會增加，因此如果負(fù)載電流迅速增加，電感的峰值電流也會增加，電源 IC 的過電流保護(hù)功能將被激活，從而導(dǎo)致輸出電壓降低。

圖10 電感 L1 = 1.0μH 時的仿真結(jié)果

要點(diǎn)

L 值與電感的紋波電流 (ΔIL) 之間的關(guān)系成反比。

如果電感電流大，會影響輸出電壓的紋波電壓。

電感電流的大小會影響瞬態(tài)響應(yīng)期間的輸出電壓狀態(tài)。

當(dāng)電感的 L 值較小時，紋波電流增加，因此當(dāng)負(fù)載電流增加時，電感峰值電流也增加，電源 IC 的過流保護(hù)功能被激活，導(dǎo)致低占空比間歇狀態(tài)和輸出電壓降低。

總結(jié)

本文介紹了電感器在電源電路中的作用和電感值：L。