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开关电源中的电感

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电源技术培训
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  • 2022-12-19 13:13:35
开关电源设计的一个关键要素是在功率开关管导通时,要找到一种方式将热量存储起来,当开关管关断时将存储能量提供给负载而维持电流连续。虽然电容可以实现这种功能(在一类特殊的功率变换器-电荷泵中就完全是这样实现的),除了负载电流需求极小的情况下,电感都是AC/DC转换过程中必不可少的元件。

现在绝大多数电感可以从许多供应商那里买到现成的,电源设计者仍需要有基本的磁性材料知识,以便确定他所应用场合下所满足的一些关键参数。

电感中的能量存储在磁场中,该磁场是由导体上线圈(与磁芯耦合在一起)通过一定的电流产生的。磁场随着电流的增加而建立,然后是电流在磁场消失时继续流动,如下图的波形所示。

123.jpg

图中的波形是简单降压型稳压器中一些节点的波形。该电路具有一个功率开关,它导通时电感电流上升,整流二极管在开关管关断时能够让电感电流续流。上图的第一个波形显示了电感输入节点处的电压,开关管关断时接近零。在这个例子中,电感输出端的电压假定为VO

第二和第三个波形显示了功率开关管和整流二极管之间的电流在交替变化,这两个电流在电感中加在一起(如底部波形)即形成了电感中的电流,开关导通时电感电流上升,关断时下降,平均值即等于负载电流。

电感电流的峰峰值,IAC由电感值决定,所以在稳态条件下,电流为:

IAC=峰峰值纹波电流=∆I=V×∆t/L

其中V=电感两端的电压,所以电感电流的两种状态为:

IAC(上升时)=(VIN-VOUT)×D×TS/L,以及

IAC(下降时)=VOUT×(1-D)×TS/L

在稳态条件下电感平均电流是固定的,所以上面两个等式一定相等。

电感纹波电流值通常是选择电感值时的主要考虑因素,其结果会影响电源设计的许多方面。

如果选择较低感量的电感,则有:

  • 较少的绕制匝数

  • 较低的绕组损耗

  • 较高的直流饱和电流

  • 从阶跃负载变化中能够更快的恢复(动态响应快)


如果选择较高感量的电感,则有:

  • 减少了磁芯和绕组的交流损耗

  • 功率开关管中的导通损耗较低

  • 减少了输出电容中的交流电流

  • 减少最小负载电流要求


因此,电感的选择没有“最佳值”,合理即可,总的指导原则或经验法则是选择一个电感值,使得在最大输入电压时,电感纹波电流为最大输出负载电流的10%~30%。在确定了电感值的情况下,电感所需的绕组匝数取决于特定的磁芯,由如下公式来确定:
1234.jpg

术语AL是由磁芯制造商定义的一个参数,习惯上称之为电感系数,定义为具有一定形状和尺寸的磁芯上每一匝线圈产生的电感量。它使用方便,可以将磁芯磁性和尺寸等参数都体现到这个参数中。它的单位是H/N2(N为绕线匝数),但是磁芯供应商会为了更方便,一般将其转换成更常用的值,即mH/(1000×N)2,或是如果频率更高的话,为nH/N2。每个磁芯的AL值都是唯一的。

电感设计另一个重要方面是选择合适的磁芯材料,实际中会有许多选择,下图为一些最常见的磁芯材料列表:

12345.jpg

饱和电流大小是电感设计的另一个关键参数,因为大多数磁芯只能工作于有限的磁通密度B。如上图中特性对比所示,不同类型材料具有不同的饱和特性。当磁性元件饱和时,会失去其磁性,电感会下降到零,电流迅速上升。这对于电源电感尤其重要,因为这些应用中统称具有较高的电流电流和交流分量。电感峰值磁通密度由如下公式确定:

磁通密度(单位Tesla),这里有:
L=电感量(单位:H)
Imax=峰值电流(DC+½AC)(单位:A)
Ae=磁芯的有效截面积(单位:m2)
N=绕组线圈匝数
值得注意的是,上述公式中有几个相互关联的参数,它们必须参照制造商的产品数据表进行选择,以便选择一个具有合适大小的磁芯来绕制一定的圈数,同时其磁芯饱和密度要大于上述计算值。通常最好的办法是通过迭代过程来完成整个设计,这需要多次平衡匝数、磁芯尺寸、饱和电流之间的关系。



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Denson
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"要找到一种方式将热量存储起来"
这个“热量”不严谨


Phoenix2005
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这里应该是能量吧,楼主手误了
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