DC-DC電路中電感的特性及選擇
了解電感的作用
在開(kāi)關(guān)電源輸出的LC濾波電路中，電感通常被理解為L(zhǎng)（C是輸出電容器）。盡管這種理解是正確的，但為了理解電感器的設(shè)計(jì)，有必要對(duì)其行為有更深入的了解。在BUCK降壓轉(zhuǎn)換器中，電感器的一端連接到直流輸出電壓。另一端通過(guò)開(kāi)關(guān)頻率連接到輸入電壓或GND。
圖1
在狀態(tài)1期間，電感通過(guò)（高側(cè)）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)2期間，電感器連接到GND。由于使用了這種控制器，感應(yīng)接地可以通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)：通過(guò)二極管接地或通過(guò)（低側(cè)）MOSFET接地。如果是后一種方法，則轉(zhuǎn)換器被稱(chēng)為“同步”方法。
現(xiàn)在讓我們來(lái)考慮流經(jīng)電感器的電流在這兩種狀態(tài)下是如何變化的。在狀態(tài)1期間，電感器的一端連接到輸入電壓，而另一端連接到輸出電壓。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須高于輸出電壓，從而在電感器上產(chǎn)生正向電壓降。相反，在狀態(tài)2期間，最初連接到輸入電壓的電感器的一端連接到地。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必須為正，從而在電感器上產(chǎn)生負(fù)電壓降。我們使用電感的電壓計(jì)算公式：V=L（dI/dt）
因此，當(dāng)電感上的電壓為正（狀態(tài)1）時(shí)，電感上的電流將增加；當(dāng)電感上的電壓為負(fù)（狀態(tài)2）時(shí)，電感上的電流減小。通過(guò)電感器的電流如圖2所示：
圖2:
從上圖中可以看出，流經(jīng)電感器的最大電流是直流電流加上開(kāi)關(guān)峰值電流的一半。上圖也稱(chēng)為紋波電流。根據(jù)上述公式，我們可以計(jì)算出峰值電流：
其中，ton是狀態(tài)1的時(shí)間，T是開(kāi)關(guān)周期（開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù)），DC是狀態(tài)1中的占空比。
注：上述計(jì)算假設(shè)，與輸入和輸出電壓相比，每個(gè)組件上的電壓降（MOSFET上的導(dǎo)通電壓降、電感器上的導(dǎo)通電壓降或異步電路中肖特基二極管上的正向電壓降）可以忽略。
通過(guò)計(jì)算電感器的峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感器上發(fā)生了什么。很容易知道，隨著通過(guò)電感器的電流增加，其電感會(huì)減小。這是由磁芯材料的物理特性決定的。確定電感將減少多少是很重要的：如果電感顯著減少，轉(zhuǎn)換器將無(wú)法正常工作。
當(dāng)通過(guò)電感器的電流達(dá)到電感失效的程度時(shí)，此時(shí)的電流被稱(chēng)為“飽和電流”，這也是電感器基本參數(shù)。
事實(shí)上，轉(zhuǎn)換電路中的開(kāi)關(guān)功率電感總是具有“軟”飽和。為了理解這個(gè)概念，可以觀察實(shí)際測(cè)量的電感與直流電流的曲線(xiàn)：
當(dāng)電流增加到一定程度時(shí)，電感不會(huì)急劇下降，這被稱(chēng)為“軟”飽和特性。如果電流再次增加，電感就會(huì)損壞。
通過(guò)這種軟飽和特性，我們可以理解為什么在所有轉(zhuǎn)換器中都指定了直流輸出電流下的最小電感；此外，紋波電流的變化不會(huì)嚴(yán)重影響電感。在所有應(yīng)用中，希望紋波電流應(yīng)該盡可能小，因?yàn)樗鼤?huì)影響輸出電壓的紋波。這就是為什么每個(gè)人都關(guān)心直流輸出電流下的電感。