開關電源電感選擇筆記
在便攜電子裝置裡都包含有多個電源管理晶片,一般常用的開關電源晶片分兩種:BOOST轉換器(升壓),BUCK轉換器(降壓電路)。下面是兩種電源電路的兩種拓撲結構,在這裡簡單說明在兩種電源結構中電感的選擇準則。
BOOST變換器是能產生高於電池電壓的電路。
BUCK變換器是能產生一個低於自己輸入電壓的電路,相比於線性降壓器有更高的轉換效率更少的發熱。
在開關電源電路里,電感都是獨立外接的。隨著現在電子裝置越來越來小,PCB的面積也會越來越來小。做硬體系統設計時,在電感的大小與電感大小對電源電路效能的影響之前要做一個權衡。
在選擇電感時,許多與電感相關的引數需要認真進行考慮,這些引數一般包括:
∆L(感值誤差)
f0(自諧振頻率)
DCR(直流等效電阻)
Isat(電感飽和電流)
Irms(電感溫升電流)
電感的額定感值L及感值誤差∆L
額定電感值是電感在一個給定的頻率下測得的值,感值誤差是同一批電感裡電感與電感之值的感值差異。一般在電感器件規格書裡為如下:
對於一個BUCK變換器,最小的電感值由輸出電壓,開關頻率所以決定的,可由以下公式進行計算:
Vinmax最大輸入電壓 ,Vout 輸出電壓 ,fsw開關頻率,D開關佔空比,Irpp
電感的峰峰值電流。
Irpp是一個需要特別重視的引數,它直接決定了選用的電感及輸出電容的大小。I
相應的,BOOST變換器電感的公式如下:
Vinmin最小輸入電流。
當我們設計電路時應該選擇的電感值大於所計算出來的Lmin,同時在選擇電感一定要將電感的誤差值也計算在內。如果電感值誤差是20%,那麼我們在選擇電感值就應該至少為1.25 × Lmin。
例如:
設一個BUCK變換器,輸出電流500mA,電壓1.2V。輸入電壓為電池電壓最大到4.4V,開關頻率1.2MHz。根據上面公式可以計算出L
電感的自諧振頻率f0
理想電感器件的阻抗是隨著頻率的上升而增加的,但是真實中的電感器件由會存在寄生的電容形成RC電路結構,使電感器件存在一個自諧振頻率f0。在這個頻率之下,電感器件阻抗曲線表現為近以理想的電感特性,電感的阻抗隨著頻率的上升而增加的。在這個頻率之上,電感器件更加表現的像一個電容,電感阻抗隨著頻率的上升面下降的。下面是理想電感與實際電感的阻抗曲線對比:
對於一個外型大小已給定電感,電感值越大,自諧振頻率越小。一般我們選擇電感時自諧振頻率為電路開關頻率的10倍。
在電感器件的規格里為如下:
電感直流電阻DCR
真實的電感器件並不是一個理想的純感器件,會有一個直流電阻存在,我們一般稱之為DCR。由於這個電阻的存在,使得流過電感器件的一部分電流以熱的形熱被耗散掉了,使得轉換效率下降。在電感器件的阻抗曲線上,低頻部分的大小是由DCR決定的。
DCR與轉效率的關係如下:
Rdc電感的直流電阻,是由電壓變換器輸入的負載電流。
從以上公式可以看出,當輸入電壓,負載電流,輸出電壓已經被給定的情況下,DCR越大率效越低。對於一般的電感器件來講:
- 電感直流電阻對於效率的影響,過載時比輕載明顯。
- 在電感值給定的情況下,電感器件的外型越小DCR越大。
- 在電感外型大小給定的情況下,電感值越大DCR越大。
- 在電感值一定的情況下,有磁遮蔽的電感器件的DCR小於沒有磁遮蔽的。
在電感的規格書裡,一般會給DCR的典型值及最大值供我們參考,在設計時儘量選擇較小DCR的電感。
電感的飽和電流Isat及溫升電流Iram
電感都會有磁飽和特性,當電感中的電流大於某一個電流值時,電感量就會出現大幅下降,這個電流值我們稱之為電感的飽和電流。在一般的工程實踐中,我們將使電感量下降30%所對應的電流做為電感飽和電流。
電感的溫升電流Irms 是流過電感電流的有效值,它主要會引起電感溫度的上升使得電感量大幅下降。溫度的上升是由於電感的DCR引起,我們一般定義其為,在室溫下使得電感產生40度溫升所對應的電流。通常電感的溫升電流是低於其飽和電流的。
如果在電路里發生了電感飽合,電感量下降會使得電感裡的峰峰值電流Irpp增加,從而增大了AC損耗,使電壓變換的效率降低。另外,更大的Irpp也會使得輸出紋波電壓變大。
以一下BUCK為例(1.2V 500mA),測試兩種不同規格的電感:
CBC25184R7M 測試結果
CB2518T4R7M測試結果
觀察以上兩個圖可以看到使用CBC25184R7M的Irpp是137mA,相對的使用CB2518T4R7M的是226mA,換算下來,CBC25184R7M的電感值是4.07uH下降了14%,而CB2518T4R7M為2.46uH下降了48%。
同樣的,流過電感的Irms高於電感所規定的溫升電流,那麼也會引起一樣的問題。
當我們在選擇評估Isat,Irms這兩個值時,一般要求其中最小的那個值要大於電路額定輸出電流的1.3倍。