一文读懂开关电源如何配合适的电感

2018-07-12 07:46:47 来源:ittbank
标签:

 

开关电源(SMPS, Switched-Mode Power Supply)是一种非常高效的电源变换器,其理论值更是接近100%,种类繁多。按拓扑结构分,有Boost、Buck、Boost-Buck、Charge-pump等;按开关控制方式分,有PWM、PFM;按开关管类别分,有BJT、FET、IGBT等。本次讨论以数据卡电源管理常用的PWM控制Buck、Boost型为主。 


开关电源的主要部件包括:输入源、开关管、储能电感、控制电路、二极管、负载和输出电容。目前绝大部分半导体厂商会将开关管、控制电路、二极管集成到一颗CMOS/Bipolar工艺的电源管理IC中,极大简化了外部电路。

 

其中储能电感作为开关电源的一个关键器件,对电源性能的好坏有重要作用,同时也是产品设计工程师重点关注和调试的对象。随着像手机、PMP、数据卡为代表的消费类电子设备的尺寸正朝着轻、薄、小巧、时尚的趋势发展,而这正与产品性能越强所要的更大容量、更大尺寸的电感和电容矛盾。因此,如何在保证产品性能的前提下,减小开关电源电感的尺寸(所占据的PCB面积和高度)是本文要讨论的一个重要命题,设计者将不得不在电路性能和电感参数间进行折中(Tradeoff)。 

 

任何事物都具有两面性,开关电源也不例外。坏的PCB布局布线设计不但会降低开关电源的性能,更会强化EMC、EMI、地弹(grounding)等。在对开关电源进行布局布线时应注意的问题和遵循的原则也是本文要讨论的另一重要命题。

 

一 开关电源占空比D、电感值L、效率η公式推导

Buck型和Boost型开关电源具有不同的拓扑结构,本文将使用如图1-1、1-2所示的电路参考模型[1]:

 

 

参考电路模型默认电感的DCR(Direct Constant Resistance)为零。

 


Buck/Boost型开关电源,伴随开关管的开和关,储能电感的电流波形如图1-3所示:

 

 

从图中可以看到,电感的电流波形等价于在直流I(DC)上叠加一个I(P-P)值为ΔI的交流。因而,I(DC)成为输出电流I(O),主要消耗在负载上;交流ΔI则消耗在负载电容的ESR(Equation Serial Resistance)上,成为输出纹波V(ripple)。 


所以,

 

下面以Buck型开关电源为例推导占空比、电感值和效率公式。

 

 

在一个连续模式的周期内,开关管闭合,对电感进行充电,根据基尔霍夫定律有:

 

dt近似为:D/f(D:一个振荡周期T内开关管ON/OFF的状态的比例关系,T=1/f,dt=D*T=D/f); D:占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值) 
展开:

 

其中:iV为输入电压,SWV为开关管电压,oV为输出电压,SWf为开关频率,D为占空比。

 


在一个连续模式的周期内,开关管打开,电感放电,根据基尔霍夫定律有:

 

 

r也叫电流纹波比,是纹波电流与额定输出电流之比。对于一个给定Buck型开关电源,
此值一般为常量。从(5)式可以得到:电感值越大,I就越小,因此r就越小。但这往往导致需要一个很大的电感才能办到,所以绝大部分的Buck型开关电源选择r值在0.25~0.5之间。  

 

将(6)代入(5)式,得到:

 

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
传统电流模式的缺陷及改进方案:斜坡补偿电路

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管的导通和关断的时间比率,维持输出电压稳定的一种电源,它和线性电源相比,具有效率高、功率密度高、可以实现和输人电网的电气隔离等优点,被誉为离效节能电源M目前开关电源已经应用到了各个领域,尤其在大功率应用的场合,开关电源具有明显的优势。

电源故障的常用解决方案

小功率电源被广泛地应用于电子电气行业,在应用的过程中也时常出现一些电源故障,如启机不良、输出电压偏低、模块过热等问题,针对这些电源供电故障现象,如何定位背后的问题?本文将一一为您揭晓。

如何解决开关电源应用中的常见问题

小功率电源被广泛地应用于电子电气行业,在应用的过程中也时常出现一些电源故障,如启机不良、输出电压偏低、模块过热等问题,针对这些电源供电故障现象,如何定位背后的问题?本文将一一为您揭晓。

EMC越来越重要,你重视了吗?

EMC在电子产品/设备已经成为可靠性的重要组成部分;将越来越被重视,特别对于我们的工业&消费类产品要求满足其相应的认证和出口要求,对应的国家政策也在不断完善

设计/电路振荡/磁元件三方面对付开关电源的噪音

噪音来源于PCB设计/电路振荡/磁元件三方面:

更多资讯
示波器波形捕获模式的特点及应用场合

日常我们使用示波器的捕获模式,一般都只用默认的标准捕获模式。但捕获模式有哪些?各自对采样点的处理方式你了解多少呢?每一种模式适用于哪种波形呢?本文将对比分析这些模式的特点,会让你有不一样的发现。

儒卓力将出席2018中国国际电动汽车会议 重点展示最先进的电池诊断技术

儒卓力继续在中国市场建立业务,为高增长汽车行业提供分销以及咨询服务

什么是LDO噪声?第一部分

在我们之前的博客中,我们谈到《低压降(LDO)稳压器之理想与现实》,介绍了什么是LDO稳压器及其噪声参数的基本信息。今天,我们将进一步详细谈谈什么是噪声,它是如何分类的,并介绍安森美半导体提供的超低噪声LDO。

Vishay的DCRF系列直接水冷绕线电阻荣获《今日电子》杂志2018年度Top-10电源产品奖

日前,Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代号:VSH)宣布,Vishay MCB DCRF系列直接水冷绕线电阻被《今日电子》杂志和21IC评为第16届年度Top-10电源产品奖。

WLTP影响下的PHEV新电池规格
WLTP影响下的PHEV新电池规格

有关PHEV的电池系统在车辆新的要求下进一步提高,这个事情果然在当下立马被验证了。由于和成本强相关,高里程的插电式混合动力车辆,短期内也是豪车才玩得起来的。

Moore8直播课堂