耦合電感技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

本應(yīng)用筆記描述了耦合電感的主要優(yōu)點(diǎn)以及與傳統(tǒng)非耦合電感操作的區(qū)別。該過(guò)程概述了如何將現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的分立電感升級(jí)為耦合電感，并估計(jì)預(yù)期的改進(jìn)。

耦合電感通常用于多相拓?fù)?，以利用兩相之間磁耦合產(chǎn)生的電流紋波消除。通常，當(dāng)使用典型的分立電感時(shí)，電流紋波消除僅在多相降壓轉(zhuǎn)換器的輸出端發(fā)生。當(dāng)這些電感進(jìn)行磁耦合時(shí)，電流紋波消除作用應(yīng)用于電路的所有元件：MOSFET、電感繞組、PCB走線。1-6因此，所有相位的切換會(huì)影響每個(gè)單相，因此電流紋波的幅度減小，頻率成倍增加。降低波形的RMS可以提高功率轉(zhuǎn)換器的效率，或者換取更小的磁性元件，更快的瞬態(tài)，因此輸出電容更小。

耦合電感與傳統(tǒng)電感設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)非耦合降壓轉(zhuǎn)換器的峰峰值電流紋波可以用公式1表示，其中V在是輸入電壓，VO是輸出電壓，L是電感值，D是占空比（D = VO/V在對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器），F(xiàn)s是開(kāi)關(guān)頻率。

對(duì)于D<2/N相，帶耦合電感的降壓轉(zhuǎn)換器中的電流紋波變?yōu)楣?，其中ρ = Lm/Lk是耦合系數(shù)（Lm是磁化或互感;Lk是漏感），N相是耦合相數(shù)。6這個(gè)特殊的方程僅限于D<1/N相，這在許多應(yīng)用中通常就足夠了，例如V在= 12V 至內(nèi)核 （0.5V 至 2.5V）。公式2允許用戶輕松了解電路和磁性參數(shù)如何影響電流紋波消除。

與公式2相比，公式1中的附加乘數(shù)取決于應(yīng)用條件。它因占空比、耦合和耦合相數(shù)而變化。圖1顯示了210相降壓轉(zhuǎn)換器中分立和耦合4nH電感的歸一化電流紋波。電流紋波由最大電流紋波歸一化：分立電感中的紋波在D = 0.5時(shí)（因此分立電感中的歸一化電流紋波在D = 1.0時(shí)為5）。12V至1.8V的典型應(yīng)用與D = 0.15有關(guān)，如圖所示。

圖1.4相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波：分立式210nH和耦合210nH電感器，具有不同的耦合系數(shù)Lm/L。

圖2.4相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波：分立式210nH和耦合50nH電感器，具有不同的耦合系數(shù)Lm/L。

圖1顯示了由于耦合電感而在所有電源電路中顯著消除電流紋波。請(qǐng)注意，有些占空比值的收益明顯大于大約 D = 0.15。耦合電感的幾張圖說(shuō)明了耦合系數(shù)Lm/L的影響：對(duì)于Lm/L = 3 - 7范圍的實(shí)際耦合，以及一些理想化且不切實(shí)際的值Lm/L為10和100。假設(shè)采用分立電感的初始設(shè)計(jì)是合理的，并且具有可接受的電流紋波，那么降低耦合電感的電感值以在目標(biāo)區(qū)域D = 0.15周?chē)鷮?shí)現(xiàn)大致相同的電流紋波是有意義的。在這種情況下，50nH/相的值可提供與分立210nH相似的電流紋波，如圖2所示。

對(duì)于相同的峰峰值電流紋波，可以預(yù)期具有相同的電流波形RMS。這導(dǎo)致所有電路分支周?chē)膶?dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗相似，因此效率相似。然而，最大的好處是50nH電感的瞬態(tài)性能將比4nH高>210倍，這一優(yōu)勢(shì)通常使您能夠完全消除大，不可靠，昂貴和大輸出電容。只剩下已經(jīng)存在的高性能陶瓷電容器。

請(qǐng)注意，陶瓷電容器必須始終用于具有快速瞬態(tài)的應(yīng)用。這是因?yàn)橹挥芯哂械虴SR和ESL的電容器才能在快速負(fù)載階躍的瞬間提供必要的瞬態(tài)性能。通常添加大容量電容器來(lái)解決分立電感和相關(guān)儲(chǔ)能中的慢電流壓擺率問(wèn)題。對(duì)于速度快得多的耦合電感器，僅陶瓷電容器的電容通常就足以解決相關(guān)的、小得多的能量存儲(chǔ)。

耦合電感的優(yōu)勢(shì)并不止于此。耦合電感器采用負(fù)耦合設(shè)計(jì)，因此當(dāng)所有相均等地共享電流時(shí)，所有繞組的相互磁通相互抵消。后一種情況在多相應(yīng)用中很常見(jiàn)，尤其是在電流模式控制下。只有漏磁通將能量存儲(chǔ)在耦合電感中，因此圖2所示示例的能量存儲(chǔ)與50nH/相相關(guān)，而不是210nH/相。這意味著與分立電感相比，耦合電感可以從根本上更小或/和具有更高的電流飽和額定值。

比較 4V 至 12V 應(yīng)用中典型 1 相解決方案的兩種磁性元件選擇，以便為某些微處理器供電：現(xiàn)成的高效分立電感器 FP1308R3-R21-R 和 50nH 耦合電感器 CL1108-4-50TR-R。相關(guān)數(shù)據(jù)表可在線獲取。7-8假設(shè)PCB上分立電感之間的距離至少為0.5mm，則分立電感器占用~722mm2在主板上;耦合電感已經(jīng)提供了更好的性能，只需要~396mm2.如圖 3 所示。同時(shí)，分立電感在室溫+80°C時(shí)的ISAT = 25A（在較高溫度下肯定更糟），而耦合電感在+110°C時(shí)達(dá)到105A/相以上的飽和度。 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了>1.8倍的面積減小和1.5倍>飽和度的提高。

為了更好地理解耦合電感的尺寸，請(qǐng)注意，對(duì)于這種4相解決方案，可以考慮分立電感（物理上更窄的電感），但是，這種電感要么會(huì)降低飽和額定值，要么需要小于目標(biāo)210nH的值。后一種情況反過(guò)來(lái)會(huì)增加電流紋波并降低效率。

假設(shè)理想耦合（即非常高的Lm/Lk），則可以簡(jiǎn)化公式2中磁耦合導(dǎo)致電流紋波減小的乘法器。然后等式2簡(jiǎn)化為等式3。3很明顯，這種耦合可以預(yù)期帶來(lái)N相量級(jí)的好處，但根據(jù)占空比的不同，它也可能更高。更準(zhǔn)確地說(shuō)，在占空比遠(yuǎn)離D = 0或D = 1區(qū)域的不同應(yīng)用中，可以實(shí)現(xiàn)更大的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)在將展示一種利用耦合電感的通用方法。耦合電感中電流紋波消除的公式2可以概括為公式4。

公式4中的品質(zhì)因數(shù)（FOM）可以通過(guò)使用熟悉且更方便的參數(shù)從參考文獻(xiàn)[9]推導(dǎo)出來(lái)，如公式5所示。

公式5中的FOM表達(dá)式對(duì)特定

占空比 D 的區(qū)域，其中索引 k 在 0 < k < （Nph - 1） 范圍內(nèi)變化。

圖4顯示了在整個(gè)占空比范圍內(nèi)不同相數(shù)的電流紋波降低情況。假設(shè)理想耦合和L值相同，則繪制電流紋波圖，增加耦合相的數(shù)量顯然是有益的。

請(qǐng)注意，對(duì)于采用分立元件的典型解決方案，故意增加給定輸出電流的相數(shù)是一種成本和尺寸效率低下的方法。對(duì)于一些商業(yè)集成解決方案，在單個(gè)芯片上集成多個(gè)開(kāi)關(guān)相位，這種方法也非常有吸引力。這與Maxim Integrated的電源技術(shù)和戰(zhàn)略完全吻合。

圖4.用于多相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波，用于理想耦合和不同數(shù)量的相。

圖4還標(biāo)記了一個(gè)特定的占空比D = 0.15，對(duì)應(yīng)于V的實(shí)際示例O= 1.8V （用于 V在= 12V。該條件用于圖5中的曲線，該曲線顯示了耦合系數(shù)ρ = Lm/Lk的選擇如何影響電流紋波消除。如圖4所示，分立電感中的歸一化電流紋波在D = 0.5時(shí)為~0.15，在圖5中也顯示為輻射曲線。如果耦合非常低，則相同條件下的4相耦合電感將具有相同的電流紋波;隨著耦合的增加，它的電流紋波會(huì)明顯減小。參見(jiàn)圖 5。請(qǐng)注意，電流紋波最初減小得非?？欤缓笤隈詈舷禂?shù)的大值處到達(dá)平坦區(qū)域。此行為建議的耦合系數(shù)大致在 3 到 5 范圍內(nèi)。通過(guò)這種方法，實(shí)現(xiàn)了最大電流紋波消除的好處，但避免了回報(bào)遞減的角落（即，沒(méi)有超大的磁性元件，幾乎沒(méi)有好處）。

圖5.多相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波，D = 0.15 （VO= 1.8V， V在= 12V 應(yīng)用）作為耦合系數(shù) ρ = Lm/Lk 的函數(shù)。

摘要準(zhǔn)則

假設(shè)我們從合理的多相降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)開(kāi)始，該設(shè)計(jì)具有分立電感。目標(biāo)是通過(guò)耦合電感器提高系統(tǒng)性能。假設(shè)采用分立電感器的初始設(shè)計(jì)具有合理的電流紋波，因此轉(zhuǎn)換器的效率符合客戶的期望。對(duì)于耦合系數(shù)實(shí)際值的4相降壓轉(zhuǎn)換器，公式5中的預(yù)期FOM圖如圖6所示。

查看圖 6，目標(biāo)為 D ~ 0.15，F(xiàn)OM 為 4 可被視為設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖7顯示了由此產(chǎn)生的電流紋波：紅色曲線表示分立電感L的初始紋波;然后兩條曲線顯示了具有不同耦合的L的電流紋波;最后，兩條曲線用于 L/4。正如預(yù)期的那樣，分立電感L和耦合電感L/FOM = L/0之間的D~15.4附近的電流紋波相似。

圖7.4相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波：分立L、耦合L和耦合L/4。

請(qǐng)注意，根據(jù)應(yīng)用的不同，目標(biāo)占空比范圍可能不同，所選FOM可能高于D ~0.15示例中所示。所選的FOM = 4對(duì)應(yīng)于典型的企業(yè)應(yīng)用，其中高效率分立式210nH電感被50nH耦合電感取代，如圖3所示。正如預(yù)期的那樣，必須使用小得多的電感值來(lái)滿足應(yīng)用的飽和要求，因此耦合電感的尺寸明顯小于傳統(tǒng)解決方案。所選的FOM = 4在瞬態(tài)期間的電流壓擺率也提高了4倍，因此，預(yù)計(jì)輸出電容將小約4倍。

所示指南可應(yīng)用于任意數(shù)量的耦合相。請(qǐng)注意，所選的FOM不必僅應(yīng)用于瞬態(tài)性能。根據(jù)應(yīng)用條件和客戶優(yōu)先級(jí)，一些FOM可以直接交易，例如，以減少電流紋波，從而降低電路中任何地方的傳導(dǎo)損耗。例如，所選的FOM = 4只能換取電感值降低2.6倍（以及相關(guān)的瞬態(tài)改善），而電流紋波降低和效率提高則剩下1.5倍。

隨著耦合電感器進(jìn)入不同的電源應(yīng)用，許多不同的客戶現(xiàn)在肯定會(huì)從這種專(zhuān)有技術(shù)中受益。

審核編輯：郭婷