DC/DC电路中的电感与电流纹波设计

一路上

前言

开关调节器将输入电压转换为更高或更低的输出电压。为此，使用电感器来临时存储能量。该电感器的大小取决于开关稳压器的开关频率以及流经电路的预期电流。究竟如何选择正确的电感值？它可以使用包含电感器电流纹波的常用公式来完成。

在大多数开关稳压器的数据表以及大多数应用笔记和其他说明性文本中，建议在标称负载运行期间电感器电流纹波为 30%。这意味着在标称负载电流下，电感器电流峰值比平均电流高 15%，电感器电流谷值比平均电流低 15%。为什么通常选择 30% 的电感电流纹波或电流纹波比( CR )作为良好的折衷方案？

图1. 具有电感电流纹波的降压转换器

对于如图 1所示的降压转换器，公式 1 适用：

该方程根据 CR 计算降压转换器所需的电感值 L。该比率通常指定为 0.3 或 30% 峰峰值纹波。这里，D 是占空比，T 是周期时间，这取决于各自的开关频率。

不同的电感电流纹波会发生什么？

图 2显示输出电流为 3 A （红色）的电路中的电感电流纹波( CR )为 30%。这是开关稳压器电路设计中通常选择的折衷方案。蓝色所示波形的电感电流纹波为133%，绿色波形所示的电感电流纹波为7%。

图2. 在标称负载下，纹波电流比为 30% 的电感器电流纹波以红色显示，

较小的电感器以蓝色显示，大电感器以绿色显示。

图 3说明了当同一电路以部分标称负载作为输出电流（例如 1A）运行时会发生什么情况。在高电感器电流纹波（如图 3 中的蓝线所示）下，电感器中的能量完全耗尽。每个周期都放电。这种模式称为断续导通模式 ( DCM )。在此模式下，控制环路稳定性行为会发生变化，并且可能会出现更高的输出电压纹波。

图3. 部分负载时纹波电流比为 30% 的电感电流纹波用红色显示，

小电感用蓝色显示，大电感用绿色显示。

需要一定的纹波电流比来避免 DCM。纹波电流比为 30%，实现了良好的折衷。如果纹波电流比较低，即使在部分负载下，系统也主要以连续电流导通模式运行。因此，可以针对该模式下的操作对该电路进行优化。

如果选择的纹波电流比太高怎么办？

当纹波电流比大于 30% 时，电感器更小，因此更便宜。不好的是，峰值电流急剧增加，并产生比典型电路中绝对必要的更多的电磁干扰( EMI ) 。另外只有在更高的负载电流下才能达到连续导通模式（ CCM ）;但该模式下的操作行为发生了变化，输出电压纹波高于较低电感电流纹波,必须在电路设计中考虑。

选择太低的纹波电流比会产生什么影响？

对于低于 30% 的低纹波电流比，电感器体积较大，因此价格昂贵;由于储能装置尺寸较大，负载瞬态响应也较慢。

如果快速断开高负载电流，则存储在电感器中的能量必须流向某个地方，这会增加输出电容器( C OUT )两端的电压。电感器中的能量越多，输出电压过剩就越高，这种过高的电压可能会损坏供电电路。

结语

如果权衡不同电感器电流纹波比的优点和缺点，那么 30% 左右的值似乎对大多数应用来说是一个很好的权衡。然而在某些情况下，只要所产生的影响是可以接受的，偏差是允许的。