開關(guān)電源是電源產(chǎn)品的主力軍之一，但隨著全球范圍內(nèi)對節(jié)能型產(chǎn)品需求的日增，那些傳統(tǒng)上采用價(jià)格較低而效率亦較低的線性調(diào)節(jié)電源的應(yīng)用，也將轉(zhuǎn)向開關(guān)電源(switch mode power supplies，SMPS)。這一轉(zhuǎn)變必將推動(dòng)業(yè)界不斷的提高開關(guān)的頻率，以滿足客戶對于在更小空間中提供更大功率的要求。這為SMPS制造商打開了新的市場，而相應(yīng)的又將有一些領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工程師面臨如何滿足SMPS設(shè)計(jì)要求這一難題。

本文將探討如何為非隔離式SMPS選擇相應(yīng)電感的問題。所給出的例子適用于薄型表面貼裝式設(shè)計(jì)，如穩(wěn)壓器模塊(VRM)、負(fù)載點(diǎn)電源(POL))以及更大的機(jī)柜系統(tǒng)。

圖1示出了采用Buck(降壓)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源，它常用于輸出電壓低于輸入電壓的場合。在典型的buck電路中，當(dāng)開關(guān)(Q1)閉合時(shí)，電流開始流過輸出端，并穩(wěn)定上升，其速率取決于電感的量值。根據(jù)Lenz定律，di=VL×dt/L，即流過電感的電流的變化等于電壓乘以時(shí)間的變化然后除以電感的量值。隨著流過負(fù)載電阻RL的電流穩(wěn)步上升，輸出電壓也成正比增加。

當(dāng)電壓或電流達(dá)到預(yù)定的極限后，控制IC把開關(guān)關(guān)斷，電感中的磁場就逐漸消失，使得正向偏置二極管D1繼續(xù)向輸出電路饋送電流，直到開關(guān)再次閉合。這一循環(huán)不斷重復(fù)下去，其閉合和關(guān)斷的次數(shù)由控制IC決定，這樣就可以將輸出電壓調(diào)節(jié)到所期望的值。

圖2示出了若干周期內(nèi)流過電感及其他降壓電路元件的電壓和電流波形。電感的量值對于在開關(guān)關(guān)斷時(shí)維持到負(fù)載的電流十分關(guān)鍵。為了能在最極端的輸出電壓和輸入電流條件下保證最小的電感值仍然支持降壓變換器的輸出電流，從而向負(fù)載輸出電流，這個(gè)最小電感值是需要確定的一個(gè)量值。為了求出這一最小電感值，需要下列信息：輸入電壓范圍、輸出電壓及其額定范圍、工作頻率(開關(guān)頻率)，電感的紋波電流和工作模式(連續(xù)或不連續(xù))。

下式用于確定一個(gè)buck變換器所需的電感值：

式中，對于連續(xù)模式來說，dI。

確定在所有可能的工作條件范圍內(nèi)都適用的最小電感值時(shí)，必須設(shè)法保證電感能提供所需的負(fù)載電流，且同時(shí)保證在各參數(shù)均為最差條件時(shí)紋波電流仍處于規(guī)定的指標(biāo)范圍之內(nèi)。對于buck型降壓電源來說，最差的條件出現(xiàn)在輸入電壓和頻率均為其最小值的情況下。讓輸出電壓等于其所允許的最小值就可以得出維持電壓調(diào)節(jié)所需的最小電感值。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)對可能出現(xiàn)的最壞條件的承受能力來選擇所需的電感值。

利用表1給出的量值，可以通過下式計(jì)算出最小電感值。

L1(Min)=10.6mh

于是，對這一特定的應(yīng)用來說，可用的最小電感值為10.6mH ，而電流額定值在最大的20A工作電流以上仍具有讓人放心的安全裕度。選用一個(gè)電感值更低的電感，就可能導(dǎo)致buck變換器在規(guī)定的最大電流下無法將其輸出電壓維持在所規(guī)定的范圍之內(nèi)。

結(jié)語

一旦確定了電感值，就可以根據(jù)電氣標(biāo)準(zhǔn)、尺寸和系統(tǒng)安裝方面的限制來設(shè)計(jì)實(shí)際的電感。很多磁體供應(yīng)商提供了可以滿足大多數(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，然而，若使用現(xiàn)成的產(chǎn)品，可能需要在性能或尺寸方面作出妥協(xié)。在很多情況下，利用磁體制造商所具備的專業(yè)技術(shù)能力來形成電感值、電氣性能和物理限制條件都讓人滿意的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就可以提高產(chǎn)品的性能并縮短推向市場的時(shí)間。