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浅谈BUCK电感应用经验

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quanxiangjun
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LV6
高级工程师
  • 2009-12-7 19:06:59
前不久曾有位朋友在一个BUCK应用中,先后用两个不同来路的经验公式计算,得出了5uH和150uH两个差别巨大的值,是公式本身有问题吗?显然不是,理论都是一样的,只不过不同人理解和应用有别而已。下面谈谈我的认识。
BUCK电感工作在单向磁化状态,磁芯一般有三大类:工字型磁芯、带气隙的EI磁芯、低u磁环。这三种磁性材料有一个共的特点,就是不容易产生磁饱合。BUCK电感发生磁饱合是很危险的,磁饱合状态下,磁芯的磁导率迅速下降,电感量将成比例下降,瞬间流过很大的电流,可导致输出电压升高。好在DC-DC拥有灵敏的电压反馈环路及过流过热保护功能,能讯速调整占空比,或令开关复位,输出电压不会比设定值高出太多,也不会烧毁开关管。
电感的损耗分铜损和铁损。铜损是电流流过电感线圈产生的欧姆热,铁损主要有涡流损耗和磁滞损耗。对于涡损,我对书本上的说法持不同意见,书上认为涡损与频率成正比,它们无一例外都认为感应电动势由磁通量变化速率决定,显然是“天下文章一大抄”的结果。
我认为实际应用中,涡损只与每伏匝数和占空比有关:把涡损看作串在变压器一匝绕组上的电阻的欧姆热,感应电动势只与电源电压和原线圈匝数有关,而感应电流的产生与消失,与原线圈同步。
可见,频率在数百K量级,电感每匝伏数不到1伏/匝情况下,对于电阻率几千欧/cm2/cm量级的磁芯,涡损可以忽略不计。
磁滞损耗,是磁力线方向改变,或磁动势发生变化时,分子电流变化时消耗的能量,它是磁芯发热的主要愿因。电感器电流纹波系数大,磁滞损耗就大。
较大的电流纹波系数,还要求输出滤波电容能承受较大的纹波电流,并且有较小的ESR,输出纹波的大小,等于纹波电流值在ESR上的压降,以及在容抗上的压降之和。
电感量的取值,推荐以额定输出电流时,电感电流纹波系数为0.1~0.3,纹波系数越小,对滤波电容要求越低,同时磁滞损耗也越小。
实际应用中,受体积和成本限制,不能随便采用大体积的电感器,那么怎样在同型磁芯中的基础上,兼顾最大的电感量与足够的饱合电流呢?我认为在电流纹波系数0.1~0.3的情况下,电感峰值电流仅为输出直流电流的1.1~1.3倍,饱合电流达到额定输出电流的1.5倍足亦,同一电感饱合电流要求由2降到1.5能达到什么目的?它能保证线圈加多1/3,从而增加7/9的电感量,将电流纹波系数降低44% 。
可能有人担心,同一磁芯满槽率一定的情况下,匝数加多1/3,线径就要减25%,铜损将增加44%,然而铜损一般都很小,同时滤波电容的正切损耗和ESR电阻发热电流随纹波电流的下降呈几何量级下降,足以弥补增多的铜损。故对效率基本上无影响。
可以用示波器测量纹波系数:取一段细导线,阻值以不影响电路工作为宜。将它从中间对折,绕成无感电阻,串在滤波电容地与继流二极管地之间,即可对电感电流取样,用示波器观查它的波形,电流的峰值与谷值之差的一半,除以平均电流即为电流纹波系数。
如果你观察到的纹波系数大于0.3,说明电感值不足,应适当加大。个别DC-DC的设计公式很变态,如MC34063,按它的公式推出来的电感取值,电流纹波系数为1,难怪很多人大叫它噪声太大。我认为要达到比较好的性能,这个电感需要加大到Lmin值的7-10倍,即保证电流纹波系数减小到0.1-0.3。
正激电源(FORWARD变换器)是BUCK电路的衍生应用,故本法同样适用于正激电源
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