如何选择开关电源电感器

如何选择开关电源电感器

开关电源一直以来都是电源业的主要产品。但是，随着全球对高能效产品需求的不断增加，传统上采用更廉价但低能效的线性电源市场也将转向采用开关电源。在这一过渡时期，电源业为提高开关频率而不懈努力，以满足客户对功率更大、占用空间更小的电源的要求。这种发展趋势为开关电源开启了新的市场，并使部分设计工程师面临市场对开关电源设计的需求。

       本文将阐明为非隔离式开关电源（SMPS）选用电感器的基本要点。所举实例适合超薄型表面贴装设计的应用，像电压调节模块（VRM）和负载点（POL）型电源，但不包括基于更大底板的系统。

图1  典型的降压拓扑结构电源

       图1所示为一个降压拓扑结构电源的架构，该构架广泛应用于输出电压小于输入电压的系统。在典型的降压拓扑结构电路中，当开关（Q1）闭合时，电流开始通过这个开关流向输出端，并以某一速率稳步增大，增加速率取决于电路电感。根据楞次定律，di=E*dt/L，流过电感器的电流所发生的变化量等于电压乘以时间变化量，再除以这个电感值。由于流过负载电阻RL的电流稳定增加，输出电压成正比增大。

       在达到预定的电压或电流限值时，控制集成电路将开关断开，从而使电感周围的磁场衰减，并使偏置二极管D1正向导通，从而继续向输出电路供给电流，直至开关再度接通。这一循环反复进行，而开关的次数由控制集成电路来确定，并将输出电压调控在要求的电压值上。图2所示为在若干个开关循环周期内，流过电感器和其它降压拓扑电路元件上的电压和电流波形。

       图2   采用降压拓扑结构的开关电源的开关动作波形图

       电感值对于在开关断开期间保持流向负载的电流很关键。所以必须算出保持降压变换器输出电流所必需的最小电感值，以确保在输出电压和输入电流处于最差条件下，仍能够为负载供应足够的电流。为确定最小的电感值，需要知道如下信息：
       ·输入电压范围
       ·输出电压及其规定范围
       ·工作频率（开关频率）
       ·电感器纹波电流 
       ·运行模式；连续运行模式还是非连续运行模式

表1　典型的降压电源系统技术规格

       下列公式用于计算降压变换器所需的电感值：

       L₁ = V_o(1-V_o/(V_in-V_on))/(f*dI)      连续运行模式下：dI < 1/2I

       为了算出适用于电源整个运行条件的最小电感值，对参数值的选择必须能够保证在各项参数处于最不利组合的条件下，所选择的这一电感值仍能将纹波电流保持在特定的数值范围内。而针对降压型电源，其最不利组合条件为：输入电压和频率均处于各自的最低数值时。此外，还要将输出电压也取为其最小规定值，以确定能够保持正常调节功能所需的最低电感值。设计者可以按照自己所习惯的方式，对这些数值进行控制，以达到最差条件成立的状态。

       按照表1中所列出的数据，最小电感值计算如下：

L_1(min) = V_o(min)(1-V_o(min)/(V_in(min)-V_on))/(f_(min)*dI)

L_1(min) = 4.95V(1-4.95V/(20V-0.7V))/(693,000Hz * 0.5A)

L_1(min) =  10.6uh

因此，在这一具体应用中，电感器的电感值至少为10.6 μh，而其电流额定值也要在最低的20安培的工作电流之上，并保持足够的安全系数。而如果选择一个电感值低于此最小值的电感器，就将导致降压变换器可能无法在最大电流下将其输出电压保持在规定范围内。

       将电感值确定以后，实际电感器的设计必须符合相关电气标准、系统尺寸和安装方式等限制。许多磁性元件供应商均提供各种型号的标准产品，可满足绝大多数的设计标准要求。但是，在设计中采用现货供应的标准产品，有可能导致电感器的性能和尺寸方面有所不足，并可能最终对产品的销售造成不利影响。而幸运的是，包括泰科电子CoEv 磁性组件部在内的一些供应商，能够提供必要的定制工程设计支持， 以满足将特定电感值、电气性能和外形限制要求结合在一款完全成熟的产品上，促进设计的最优化。充分利用了业界的专业技术，从而最大程度地缩短了设计和测试的时间，加速产品的上市。