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BUCK电感的经验之谈

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1
一根烟
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LV3
助理工程师
  • 2010-9-13 21:24:48
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。
forabl
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LV2
本网技师
  • 2010-9-13 22:46:08
 
buck电感饱和会导致磁导率下降,按照道理上讲基本上所有的电感饱和都会产生这种现象,请问buck电感饱和还有没有别的危害?
vieger
  • vieger
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LV8
副总工程师
  • 2010-9-14 09:37:43
 
效率下降,电烧过热或烧毁
YTDFWANGWEI
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  • 2010-9-14 09:02:14
 
在电流纹波系数0.1~0.3的情况下,电感峰值电流为输出直流电流的1.1~1.3倍还是1.05-1.15倍?
nc965
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  • 2010-9-14 10:26:27
 
这取决于纹波系数如何定义
YTDFWANGWEI
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  • 2010-9-14 10:37:57
 
我查了一下,纹波系数一般指纹波峰峰值与平均值的比值。应该是这样吧?
nc965
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  • 2010-9-14 10:41:03
 
如果是这样,问题来了,最大可能出现的纹波是波谷到0,这时纹波峰峰等于2倍平均值,纹波系数最大=>2?
YTDFWANGWEI
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  • 2010-9-14 10:46:42
 
我说错了,是与最大输出电流的比值。
nc965
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  • 2010-9-14 11:09:38
 
峰峰值与峰值之比?
nc965
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  • 2010-9-14 15:54:07
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百度知道上的
nc965
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  • 2010-9-14 10:29:52
 
BUCK s \是降压拓扑,当其降压比在大幅度范围变化时,哪种工况对于Buck电感设计是最不利工况?
blueskyy
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LV10
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  • 2010-9-14 13:50:44
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高压,满载 。
nc965
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  • 2010-9-14 15:32:25
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高压,满载 ?
比如300伏buck到280伏,这样的工况可能是最轻松的
blueskyy
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LV10
总工程师
  • 2010-9-14 15:44:49
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呵呵,
修改一下:高压,满载 ,最小占空比。
nc965
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  • 2010-9-14 15:46:45
  • 倒数6
 
我怎么觉得1/2占空比才是Buck电感最不利工况?偏离1/2越多,该电感越轻松。
blueskyy
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LV10
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  • 2010-9-14 16:10:59
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李工,在输入电压固定的情况下,你说的是对的。
BUCK 纹波分量的计算:
△I = (Vin-Vo)*D = Vin(1-D)*D≤Vin*{(( 1-D)+D)/2}^2 = Vin* (1/2)^2 ( from:几何平均小于算术平均)
当1-D=D取等号。
即D=1/2 取等号
blueskyy
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LV10
总工程师
  • 2010-9-14 16:16:04
  • 倒数3
 
我觉得你的问题:应该固定一个指标 。
1。输出电压不变
或者 2。输入电压不变
再来讨论电感最恶劣的工况 是不是更合适呢? 呵呵
blueskyy
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LV10
总工程师
  • 2010-9-14 16:23:20
  • 倒数2
 
再来看输出电压保持不变:纹波状况
△I = (Vin-Vo)*D = Vo(1/D-1) *D = Vo(1-D)
当D=0时有最大纹波,D=0不可能,只能说D越小纹波越大
Vin= Vo/D,也就是输入电压越大,纹波越大。
昊亿电子
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LV8
官群管理
  • 2010-9-14 13:29:05
 
有没有详细的资料和实际应用给我看看呀 我对理论不是很在行 我喜欢实际操作 ,计算对我来说也是一窍不通 ,怎么办呀 ?学历不够就是不好!!
YTDFWANGWEI
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  • 2010-9-14 15:08:18
  • 倒数9
 
你看过哪几本书?基本原理的书上都有相关的资料。
紫色的童年
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LV6
高级工程师
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  • 2021-3-29 11:20:16
  • 倒数1
 
谢谢分享,学习一下。
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