Boost电源电感选型

电子电容全能解 2024-05-11 09:00:42

电感是一种储能元件。最本质的特性来说就是u=L*di/dt,表示的实际物理含义电感两端的电压,除了自生电感量L的大小外,仅与流过电感电流的变化率(di/dt)有关。电流变化越快,电感两端的电压越大,反之越小。

回到Boost拓扑中,输入电压Ui是稳定的直流量,不随时间的变化而变化。

在开关管导通的时刻Ui=Ul= L*di/dt

对公式进行变换,则有U/L= di/dt,U与L都是常量‘

那么对电感来分析,流过电感的电流是随时间线性变化

开关管关闭时,电感两端电压Ul=Ud+Uo-Ui,( Ud+Uo-Ui)/L= di/dt

此时流过电感的电流也是随时间线性变化

仿真波形

根据以上理论和仿真分析总结

开关管导通,电感电流线性增大;

开关管截止,电感电流线性减小。

电感中的电流在开关管导通时线性增大,那在电感选择时要选一个能过多大电流的电感?

选择电感的时候,在规格书中会提到饱和电流参数,如下图所示。

我们在认识电感时,一般认为电感的固有属性电感量是固定不变,但在实际应用中,随着流过电感的电流增大,电感量L会随着电流的增大而减小,一般不同的产家会定义标称电感量下降20%或30%时(不同产家定义的值有所差异)流过的电流定义为饱和电流。我们从图中得知电感量是随电流变化的。

既然电感值会变,那么变化的电感量对电路产生什么影响?

我们了解到在开关管导通的时候,电感电流是线性增大,其斜率K=U/L=di/dt,那么在电感进入饱和状态的过程中,电感的感值是在动态减小,意味着电流增大的斜率K也快速增大,试想一下,电流不断增大,电感的感值减小,变化率di/dt变大,这会进入无限循环之中。

仿真中将负载加重,电流增大,超过电感饱和电流,发现流过电感电流的变化率发生了变化,从图可以看出di/dt逐渐变大并产生尖峰。

说了这么多基本原理其实就是电感能量转换,分为充电阶段和放电阶段。那么我们就要来认识一下开关管导通时间和断开时间,那么在充电和放电阶段又要满足什么样的条件呢?

当然我们要引入电源工具“伏秒定律”来描述。

伏秒定律:导通阶段的电感电压与其作用的时间(导通时间)的乘积必然等于关断阶段的电感电压与作用时间(关断时间)的乘积,但符号相反。

Ton:开关管导通时间

Toff:开关管截止时间

如果在绘制电感电压相对于时间的曲线,那么导通阶段电压曲线的面积必然等于关断阶段电压曲线的面积。在稳态时,电感电压会出现反向,在一个开关周期内,电感电压曲线的净面积必然为零。如图所示A面积=B面积。

那么在Boost升压拓扑中伏秒定律需要变换一下

导通时电感电压*导通时间=截止时电感电压*截止时间

Ton:导通时间

Toff:截止时间

D:占空比

Vi:开关管导通电感电压

Vo+Vd-Vi:开关管截止电感电压

从以上公式推导计算可以看出,开关管的导通截止时间,即占空比与电感量和负载电流没有关系,仅与输入输出电压有关。

在选择电感时需考虑电感量和电感电流。在上述中有提到电感的感量不是一成不变的,与流过电感的电流是息息相关的。

回到文章开始提到的问题,电感量增大减小会产生怎样的影响?

根据U=Ldi/dt,U/L=di/dt=K=电流变化率,当输入输出电压确定了,则电感两端的电压就是恒定的,那么电感电流变化率与电感量成反比,电感量越大,斜率越小。如电感电流仿真波形所示。

如果电感量过小,电感电流变化率越大,那么电感的纹波电流会较大,此时流过电感的峰值电流会很高,对电感的饱和电流也要很高,这时会引发一系列的变化,负载加重电流过大,变化的电流会导致EMI问题会更加明显。

如果电感量过大,电感电流变化率越小,虽然电感的纹波会减小,但是会产生负载动态响应变差。因为电感量增大,当负载突然加重,电感电流响应的时间会增加,需要几个开关周期来调整才能满足负载电流的需求,在这期间负载所需的电流完全靠输出电容放电维持,会导致输出电压产生跌落,可能会出现故障。

怎么去求合适的电感量呢?

世间万物都遵循能量守恒定律,那么就从能量守恒定律下手来确定电感量。

输入功率*n=输出功率

n:效率转换率

Boost拓扑结构上来看,电源所有电流都会流过电感,那么流过电感的电流也就近似是电源输入的平均电流,所以输入功率Pi=Vi*IL

输出功率

Po=Vo*Io

所以Pi*n=Po

变换公式Vi*IL*n= Vo*Io

则IL=Vo*Io/(Vi*n),计算时n估算约在70%~80%区间

当考虑到二极管的损耗时,输出功率Po=PL+Pd

Vi*IL*n= Vo*Io+Vd*Io

IL=(Vo+Vd)*Io/Vi*n

在Boost升压中,二极管的损耗是比较大,所以只考虑二极管的损耗。

电感平均电流:

在之前讨论过电感电流的波形图,开关管导通电感电流增大,开关管截止时,电感电流减小。那么确认纹波电流,先确认开关管导通时电感电流的增量ΔIL=di。

从以上公式看出,电感纹波电流的大小与输入输出电压、开关频率、电感量和损耗有关,与负载电流的大小无关。

一般条件下,电感量确定,电感的纹波电流ΔIL约在电感平均电流的20%~40%区间,故ΔIL=(0.2~0.4)* IL。

根据以上计算就可以确定电感的范围

以上计算可以看出,电感的选择与输入输出,负载相关,在明确相关设计要求后,可对电感的选择有一个初步的取舍。

总结

1、从理论公式来看电感的选择需要考虑电感的饱和电流,且饱和电流需大于电感流过的最大电流,并要留一定的裕量。

2、电感量的选择需基于负载的轻重、纹波电流可接受的情况抉择,计算的理论值需留有一定的裕量,适合实际电路需求才是最好的。

3、考虑到能量守恒,过大的DCR会在负载瞬态变化中引起热损,一般尽量选择较小。

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