BUCK电路电感选择和计算

精品文档 1欢迎下载 如今 随着传输数据流的需要 电子产品的耗电量与日俱增 开关电源的频率也越来 越高 并且对整 个电压模块的速度和尺寸要求也越来越严格 电感已经成为所有电源拓扑结构的基本组件 在工业 自动化 和 DC DC 转换器上广泛使用 特别是满足从 0 到 60A 电流大小的范围内对电感提出了更 高的要求 电感在电子三组件电感 电容与电阻之中 乃居于产品设计转换的关键地位 电感类 组件 必须经过一 一的设计与测试才能决定 考虑到目前电感器繁多的规格和种类 在下一代电子产品设计 中为电源转换电路 选择一个好的电感并不简单 设计者必须在了解电感理论的基础上 再根据结构 额定电 流 磁芯材料 磁 芯损耗 温度和饱和电流综合评价 选择最佳电感参数 另外值得庆幸的是 许多电感供 货商都提供尺寸和 性能优秀的产品 甚至还可以修改产品参数以满足用户需求的服务 电感简介 电感 电阻和电容合称为三大被动组件 其电器特性虽然各有不同 但却都是 3C 产品 中不可或缺的关键 组件 电感的主要功能为稳定电流与去除噪声 另可搭配电阻与电容展现多种功能 故在 机器 设备 消费性 电子 电力配输与抑制电磁辐射方面被广泛运用 对电感的需求亦因而与日俱增 电感的上游主要是以镍锌与锰锌铁氧体磁芯两大系列为主 因材料特性之不同 分别 应用于信息和通讯产 品上 铁氧体磁芯 Ferrite Core 是以高温烧成的金属氧化物 主要作为高频线圈及变 压器等产品之磁芯 电感的发展趋势主要是因应系统产品的发展而变化 在计算机及其周边信息产品方面 由于对空间需求的迫 切性不高 电感的发展以朝向产品体积小型化与发展排列式芯片电感为主 在通讯产品方 面 由于该类产品对 空间需求迫切度高 因此电感器除了朝向小型化发展外 亦需进一步开发整合型组件以因 应产品的需求 此外 为因应产品高频化的发展 电感亦需提高其使用频率 而朝向陶瓷等高频材料及组件开发 整体而言 未来电 感器将朝向小型化 高频化及整合化发展 电感参数 当导线内通过交流电流时 在导线的内部及其周围产生交变磁通 导线的磁通量与生 产此磁通的电流之比 当电感中通过直流电流时 其周围只呈现固定的磁力线 不随时间而变化 可是当在线圈 中通过交流电流时 其周围将呈现出随时间而变化的磁力线 根据法拉弟电磁感应定律 Faraday s law 磁生电来分析 电感则 精品文档 2欢迎下载 是电流通过线圈产生的磁通量 Flux 储存在铁心中蓄积能量 LI 当通过线圈的电 流愈大时磁通量也相 对愈大 即代表储存的能量增加 产生的感应电动势为 如图 1 中 开关导通时间段 电感 L 内的电流逐渐增加 当导通结束后 进入截止时间 段 这时候由于 L 内的电流达到最大值 电感中的电流不能突变 所以 继续有电流流过 当截止时间结束 后 电感中的电流达 到最小值 重新开始新的周期 电感就是透过这种在交换周期中的导通时间 将能量储存 在磁场内 并在断开 时 将所储存的能量提供给负载来工作 图 1 电感在 DC DC Buck 电路中的应用 工作在连续电流模式下 电感两端的电压可以突 变但电流不会突变 由于电感中变化磁场会对周边产生电磁辐射 对周边敏感组件产生干扰 因此屏蔽是 首先需要考虑的 从 图 4 可以看出屏蔽与非屏蔽电感的区别 他们各有优劣 屏蔽的电感最主要就对外辐射少 但是尺寸比较大 线圈的损耗大 价格也贵 非屏蔽的电感则可以做的很小 电流也可以做的很大 价格也 便宜 如果设计中问 题辐射是关键因子 屏蔽电感还是首选 另外一个是环形电感越来越受欢迎了 环形有利 于电磁屏蔽 并且这 种空气的间隙分布也有利提高对电流的处理 图 4 屏蔽与非屏蔽电感的比较 图 5 自屏蔽的环形电感 当电流流经时 电感的温度会上升 交流纹波 AC ripple 会导致磁芯损耗 而直 流电流会导致感应系数 下降 稳态状况下直流电流 Irms 引起电感温度上升 20 40 摄氏度 这也是电感功耗的主 要参考 另外 也有 将 Irms 归类成输出电流或开关模块的平均电流 功耗有两部分组成 已是由 Irms 部分计 算的直流损耗 P I 2R 和 AC 纹波电流引起的磁芯损耗 磁芯损耗涉及到磁芯材料的选择和磁芯截面甚至纹波电流 开关频率和结合电路部分 的感应系数 磁芯损 耗的计算在开关开闭期间是不一样的 但是根据经验 可以估算出相对准确的数值 图 2 电压通过电感时由于感应电动势的存在导致电压与电流相位相反 由于铁氧体材料拥有高导磁率 因此相当容易让磁通量通过 这将可协助将磁通量维 持在电感器的磁芯 同时创造较小尺寸高磁性电感器的可能性 这亦可由上述的电感方程式分析出 采用相关 磁芯物质 就可以使 用较小的截面积 另外 设计者必须意识到电感的工作温度和环境温度的差别 这其中有个电感自身升 精品文档 3欢迎下载 温的差别 比如说电 感工作状态的温度设定在 40 到 125 摄氏度之间 电感工作时自身温度可以升高 40 摄氏 度 那么工作环境的 温度就只能设置在 40 到 85 摄氏度之间 并且温度是由电感能耗和表面积决定的 图 3 电感中电流随时间变化的关系 电感选择示例 基于电感的属性 在图 的电路是 buck 转换电路为例说明滤波电感的设计方法 这是 常用的降压调节电 路 以提供稳定和高效的输出电压 在变换电路中 设有 LC 滤波电路 滤波电感中的电流 含有一个直流成分 和一个周期性变化的脉动成分 电感 L 的作用是滤除占波开关输出电流中的脉动成分 以 减小纹波 也可以看 成是续流用的 当开关断开的时候 电感 负载 续流二极管就组成了回路 从滤波效果 方面考虑 电感量越 大 效果越明显 但是 如果电感量过大 会使滤波器的电磁时间常数变得很大 使得输 出电压对占空比变化 的响应速度变慢 从而影响整个系统的快速性 一味地追求减小输出电压的纹波成分是不 可取的 所以在设计 电感参数时应从减小纹波和保持一定的快速性两个方面去考虑 图 7 DC DC Buck 电路 此电路要求的相关参数如下 Vin 8 12V Vo 5V Io 0 5 2A fswitch 250kHz 电路工作在连续电流 模式 CCM 下 即在各个工作状态下 电感中电流大于 0A 现在根据以上参数 可以算 出所需电感的参数 图 6 Irms 值的参考是在交流纹波比较小和磁芯损耗忽略的状况下 磁芯材料 铁芯损耗 205KHz 100G 成本 Ferrite gapped 1 低 Iron 75u 80 低 Sendust 60u 35 中 MPP 60u 8 高 Ferrite Mn Zi Sendust Fe Al Si MPP Me Ni Fe 磁芯材料和相应的参数 1 计算电路中开关的周期 1 f 1 250 kHz 4 s 2 计算电路中开关的占空比 min Vo Vin max 5V 12V 0 4 3 计算开关导通时间 Ton Ton x min 4 s 0 4 1 6 s 4 计算电感的纹波电流 dI 一般不超过最大输出电流的 30 dI Io 0 3 2A 0 3 0 6A 5 计算电感两端的电压 V V Vin max Vout Vdiode 12V 5V 1V 6V 6 计算最小的感应系数 由 V LdI dt 得出 Lmin Vdt dI 6V 1 6 s 0 6 A 16 H 7 计算考虑误差的感应系数 考虑到与标准之间 20 的偏差和在额定电流下会有 10 35 精品文档 4欢迎下载 降幅 L 16 H 0 8 0 65 31 H 再考虑到工作在连续电流模式下 因此感应系数调高到 33 H 8 计算峰值电流 Ipeak Ipeak Io max dI 2 2A 0 6A 2 2 3A 电感的结构包括磁芯的尺寸 材料 绕组的匝数 导线的直径等内容 电感量越大说 明相应的匝数也会增 多 磁芯的体积就要大一些 电流越大 说明采用的导线就越粗 也要求磁芯的体积增大 采用高导磁率的材 料 同样的 H 情况可以得到更大的 B 磁芯的尺寸就会减小 要测量磁芯耗损通常相当困 难 因为其包含相当 复杂用来测量磁通密度的测试设置安排 以及对迟滞回路的估算 迄今许多电感器制造商 并没有提供这方面的 数据 不过却有部分可以用来估算出电感器磁芯耗损的一些特性曲线 这可以由铁氧体材 料制造商 峰对峰磁 通密度与频率的函数得出 如果知道电感器磁芯所采用的特定铁氧体材料以及体积大小 那么就可以利用这些 曲线有效地估算出磁芯耗损 此例中 如果选择线圈 N 20 匝 直流阻值 0 06ohm 磁芯横截面积 0 071cm2 体积 0 2cm3 和磁芯 损耗为 150mW cm3 材料的电感 则 磁通量 B dI L 2 N A 0 6A 33 H 2 20 0 071cm2 700 Gauss 磁芯损耗 P 150mW cm3 0 2cm 3 30mW DC 损耗 P I2R 2A 2 0 06 ohm 240mW 现在关于电感的所有参数都计算出来了 接下来就需要根据参数挑选合适的电感 根 据电感目录对照可以 很方便找出合适的电感 以下也给出了一些 Tips 1 电感电流要依据设计中最大输出电流来选择 2 感应系数的值必须达到理论的计算 3 选择理想的 DC 阻抗 因为阻抗越小 DC 损耗就越小 4 选择合适的电感结构和磁芯类别 总结 在目前以消费驱动的市场中 可以预计的是携带型电子产品的尺寸将会继续缩小 以 便满足用户的期望和 需求 为了保持这种竞争优势 设计者必须从以上的各项基本原则出发来选择和使用高可 靠性和紧凑性的电感 而随着对电感基本原理的掌握及对本