如何為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇表面貼裝電感器

傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器有一個(gè)主要缺點(diǎn)：傳輸晶體管上的電壓降乘以負(fù)載電流等于浪費(fèi)的功率。首選選項(xiàng)通常是開(kāi)關(guān)模式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，其中功率晶體管以占空比連續(xù)切換，通過(guò)一些額外的濾波，提供所需的輸出電壓。

在這種配置中，晶體管要么開(kāi)啟，不涉及電壓降，要么關(guān)閉，沒(méi)有電流通過(guò)。這意味著當(dāng)在狀態(tài)之間切換時(shí)，功耗往往會(huì)降至零，從而產(chǎn)生高達(dá) 95% 的效率，而線性轉(zhuǎn)換器通常提供約 50% 的效率。開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)在于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)意味著它們可以在降壓(所謂的“降壓”)、升壓(“升壓”)或反相(“降壓-升壓”)模式下運(yùn)行。

對(duì)開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器原理的基本了解有助于選擇所需的電感器。本文將只關(guān)注一些基本配置，主要是在“連續(xù)模式”下運(yùn)行的非常流行的固定頻率降壓轉(zhuǎn)換器。

圖 1：一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

一個(gè)基本的降壓轉(zhuǎn)換器僅由一個(gè)開(kāi)關(guān)、電感器、電容器和二極管組成(圖 1)。假設(shè)一個(gè)理想的開(kāi)關(guān)和二極管，V sw = 0 和 V d = 0，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)換器工作的解釋。在實(shí)際設(shè)計(jì)案例中，要準(zhǔn)確確定所需的電感值 L、預(yù)期占空比 D 和工作效率，必須將 V sw 和 V d 視為非零，并且必須包括它們對(duì)轉(zhuǎn)換器電路的影響.

當(dāng)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，二極管關(guān)閉，斜坡電流直接從輸入流向輸出。當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感兩端的電壓會(huì)反轉(zhuǎn)極性，因?yàn)樗碾姼性噲D保持電流流動(dòng)。這將打開(kāi)“捕獲”二極管，這會(huì)導(dǎo)致電流下降，直到開(kāi)關(guān)再次打開(kāi)并重復(fù)循環(huán)。上升的導(dǎo)通電流增加了電感磁芯的磁化強(qiáng)度，將能量存儲(chǔ)在電感中，當(dāng)電流下降時(shí)，該能量在關(guān)斷周期中返回。

圖 2：開(kāi)關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的斜坡波形。

在降壓轉(zhuǎn)換器的情況下流過(guò)電感的電流波形如圖2所示。它包括一個(gè)平均直流分量和一個(gè)周期性上升和下降的交流分量。直流電流等于直流負(fù)載電流 I load。在穩(wěn)態(tài)條件下，周期結(jié)束時(shí)的電感電流等于周期開(kāi)始時(shí)的電感電流。

受控的開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致

V out = D * V in (等式 1)

其中 D 是占空比，因?yàn)?D = t on /(t on + t off )。

開(kāi)關(guān)頻率由 f sw = 1/(t on + t off ) 確定，其中 t on = D/f sw。

將導(dǎo)通期間電路中產(chǎn)生的所有電壓降相加，并假設(shè) V sw = 0，這將導(dǎo)致

V in – V ind – V out = 0(公式 2)

如果我們現(xiàn)在替換 V ind = L * di/dt，di 類似于電流斜坡的幅度 I ramp 和 dt 導(dǎo)通時(shí)間 t on，這將使我們得到

L * I斜坡 = (V in – V out ) * t on (等式 3)

這具有顯著的后果，因?yàn)榈仁?3 的右側(cè)對(duì)于給定的輸入至輸出電壓差是恒定的，這意味著所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)頻率和 t on的值相同。較大的電感值 L 等于較小的斜坡電流分量，而較小的電感值將導(dǎo)致較大的電流斜坡。將這種情況推向極端，如果選擇的電感非常小，則電流斜坡可能非常大，以至于在低負(fù)載電流條件下，流過(guò)電感的總電流可能會(huì)在部分開(kāi)關(guān)周期內(nèi)降至零. 這種情況稱為不連續(xù)模式。

必須牢記另一個(gè)重要的考慮因素;在某些應(yīng)用中可能具有吸引力的較小電感會(huì)導(dǎo)致較大的電感斜坡電流，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓上出現(xiàn)更高的紋波。較大的 I斜坡 也會(huì)增加電感器中的交流磁芯損耗。作為一般準(zhǔn)則，I ramp 與最大負(fù)載電流相比應(yīng)該很小;這決定了給定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電感值 L。

現(xiàn)在，讓我們來(lái)看一個(gè)關(guān)于選擇合適電感值的關(guān)鍵規(guī)范。它是通過(guò)電感器的最大峰值電流。在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，它是

I max = I load_max + I ramp /2(等式 4)

查看等式 3，很明顯 I ramp 與 I load無(wú)關(guān)。為了確定 I max，需要更詳細(xì)地考慮 在確定電感器 L 的值之后I ramp如何 隨不同的 V in值變化。

將所有電壓降加起來(lái)，并且在 OFF 期間 V d = 0，這會(huì)導(dǎo)致

V ind – V out = 0(等式 5)

考慮到 V ind = L * di/dt，其中 di 是電流斜坡 I ramp的幅度， dt 是關(guān)斷時(shí)間 t off，我們得出

I斜坡 = V out * t off /L(等式 6)

如果 V out 恒定， 則當(dāng) t off也處于最大值時(shí)，I ramp處于最大值。當(dāng) V in處于最大值時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況，此條件決定了 I斜坡 和最大峰值電感電流(等式 4)。

隨著電感值的確定和最大電流的已知，這最終導(dǎo)致我們選擇合適的電感器類型。屏蔽和低 EMI 電感器是密集電路板的不錯(cuò)選擇，就像新的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)一樣。它們的優(yōu)點(diǎn)是它們的磁通量包含在電感器體內(nèi)，從而降低了對(duì)周圍 PCB 走線和組件的輻射影響。

例如，Signal Transformer 的 SCRH 系列磁屏蔽部件的電感值范圍為 1.0 μH 至 180 μH，飽和電流范圍為 0.15 A 至 5.0 A，高度范圍為 1.9 mm 至 4 mm。如果需要更大的電感值，SCxxxxC 系列可提供 10 μH 至 1 mH 的值，飽和電流為 0.045 A 至 8 A，高度為 2.92 mm 至 7.62 mm。其他系列可用于大電流應(yīng)用以及非屏蔽電感器，以實(shí)現(xiàn)最高效率和強(qiáng)大的功率處理能力，包括薄型尺寸。

Signal Transformer是 Bel Group 的一部分，提供廣泛的產(chǎn)品組合，包括 2,700 種標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝 (SMD) 電感器。

審核編輯：湯梓紅