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開關電源電感器選用的解決方案

 開關電源一直以來都是電源業的主要產品。但是,隨著全球對高能效產品需求的不斷增加,傳統上采用更廉價但低能效的線性電源市場也將轉向采用開關電源。在這一過渡時期,電源業為提高開關頻率而不懈努力,以滿足客戶對功率更大、占用空間更小的電源的要求。這種發展趨勢為開關電源開啟了新的市場,并使部分設計工程師面臨市場對開關電源設計的需求。

    本文將闡明為非隔離式開關電源(SMPS)選用電感器的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設計的應用,像電壓調節模塊(VRM)和負載點(POL)型電源,但不包括基于更大底板的系統。

    圖1所示為一個降壓拓撲結構電源的架構,該構架廣泛應用于輸出電壓小于輸入電壓的系統。在典型的降壓拓撲結構電路中,當開關(Q1)閉合時,電流開始通過這個開關流向輸出端,并以某一速率穩步增大,增加速率取決于電路電感。根據楞次定律,di=E*dt/L,流過電感器的電流所發生的變化量等于電壓乘以時間變化量,再除以這個電感值。由于流過負載電阻RL的電流穩定增加,輸出電壓成正比增大。

    在達到預定的電壓或電流限值時,控制集成電路將開關斷開,從而使電感周圍的磁場衰減,并使偏置二極管D1正向導通,從而繼續向輸出電路供給電流,直至開關再度接通。這一循環反復進行,而開關的次數由控制集成電路來確定,并將輸出電壓調控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個開關循環周期內,流過電感器和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。

    電感值對于在開關斷開期間保持流向負載的電流很關鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值,以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下,仍能夠為負載供應足夠的電流。為確定最小的電感值,需要知道如下信息:

    ·輸入電壓范圍

    ·輸出電壓及其規定范圍

    ·工作頻率(開關頻率)

    ·電感器紋波電流

    ·運行模式:連續運行模式還是非連續運行模式

    下列公式用于計算降壓變換器所需的電感值。L1=Vo(1-Vo/(Vin-Von))/(f*dI)

    連續運行模式下:dI < 1/2I

    為了算出適用于電源整個運行條件的最小電感值,對參數值的選擇必須能夠保證在各項參數處于最不利組合的條件下,所選擇的這一電感值仍能將紋波電流保持在特定的數值范圍內。而針對降壓型電源,其最不利組合條件為:輸入電壓和頻率均處于各自的最低數值時。此外,還要將輸出電壓也取為其最小規定值,以確定能夠保持正常調節功能所需的最低電感值。設計者可以按照自己所習慣的方式,對這些數值進行控制,以達到最差條件成立的狀態。

    按照表1中所列出的數據,最小電感值計算如下:

    L1(min)=Vo(min)(1-Vo(min)/(Vin(min)-Von))/(f(min)·dI)

    L1(min)=4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz * 0.5A)

    L1(min)=10.6mh

    因此,在這一具體應用中,電感器的電感值至少為10.6 mh,而其電流額定值也要在最低的20安培的工作電流之上,并保持足夠的安全系數。而如果選擇一個電感值低于此最小值的電感器,就將導致降壓變換器可能無法在最大電流下將其輸出電壓保持在規定范圍內。

    將電感值確定以后,實際電感器的設計必須符合相關電氣標準、系統尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應商均提供各種型號的標準產品,可滿足絕大多數的設計標準要求。但是,在設計中采用現貨供應的標準產品,有可能導致電感器的性能和尺寸方面有所不足,并可能最終對產品的銷售造成不利影響。而幸運的是,包括泰科電子CoEv 磁性組件部在內的一些供應商,能夠提供必要的定制工程設計支持, 以滿足將特定電感值、電氣性能和外形限制要求結合在一款完全成熟的產品上,促進設計的最優化。充分利用了業界的專業技術,從而最大程度地縮短了設計和測試的時間,加速產品的上市。


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