耦合電感與傳統(tǒng)電感相比有什么優(yōu)勢(shì)

引言

耦合電感常用于多相電源拓?fù)洌浞掷闷湎嚅g磁耦合電流紋波相抵消的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。使用普通分立式電感時(shí)，一般只在多相降壓轉(zhuǎn)換器輸出抵消電流紋波。當(dāng)這些電感通過(guò)磁耦合時(shí)，電流紋波抵消作用到所有電路元件：MOSFET、電感線圈、PCB走線［1-6］ 。所以，所有相開關(guān)操作僅影響到單相，從而減小電流紋波幅值、頻率倍增。減小電流波形的RMS有助于提高電源轉(zhuǎn)換效率，或減小磁元件、獲得較快的瞬態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)而減小輸出電容需求。

耦合電感與傳統(tǒng)電感設(shè)計(jì)的對(duì)比

傳統(tǒng)非耦合降壓轉(zhuǎn)換器的峰-峰電流紋波可表示為式1，其中VIN為輸入電壓，VO為輸出電壓，L為電感，D為占空比（對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，D = VO/VIN），F(xiàn)s為開關(guān)頻率。

（式1）

對(duì)于帶有耦合電感的降壓轉(zhuǎn)換器，當(dāng)D IN = 12V轉(zhuǎn)換為核電壓（0.5V至2.5V）。通過(guò)式2，很容易看到電路和磁元件參數(shù)對(duì)電流紋波抵消的影響。

（式2）

與式1相比，式2中的附加乘數(shù)取決于應(yīng)用條件，隨占空比、耦合系數(shù)以及耦合相數(shù)變化。圖1所示為分別采用210nH分立或耦合電感的4相降壓轉(zhuǎn)換器的歸一化電流紋波。用 電流紋波對(duì)電流紋波進(jìn)行歸一化，即D = 0.5時(shí)分立電感的紋波（所以D = 0.5時(shí)，分立電感的歸一化電流紋波為1）。如曲線所示，對(duì)于12V轉(zhuǎn)換為1.8V的典型應(yīng)用，D = 0.15。

從圖1可以看出，所有電源電路中由于采用耦合電感使得紋波電流大幅抵消。注意，在有些占空比下，電流紋波抵消明顯大于D = 0.15的情況。耦合電感的幾條曲線說(shuō)明了耦合系數(shù)Lm/L的影響：Lm/L = 3 - 7范圍內(nèi)的耦合比較實(shí)用，有些Lm/L值比較理想化、不太現(xiàn)實(shí)，例如10和100。如果采用分立電感的初始設(shè)計(jì)比較合理，電流紋波可以接受，那么采用耦合電感可以減小電感值并達(dá)到D = 0.15下同等的電流紋波。這種條件下，50nH/相的耦合電感可提供與210nH分立電感同等的電流紋波，如圖2所示。

相同的峰-峰電流紋波對(duì)應(yīng)同等的電流波形RMS，使得所有支路的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗相近，效率也相近。帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)是：50nH電感的瞬態(tài)性能比210nH提高4倍以上，而且，您可以徹底脫離大數(shù)值、不可靠、價(jià)格昂貴且體積較大的輸出電容，只是留下本已存在的高性能陶瓷電容。

注意，對(duì)于具有快速瞬態(tài)響應(yīng)的設(shè)計(jì)，陶瓷電容總是必需的。因?yàn)橹挥械虴SR和ESL的電容能夠滿足負(fù)載快速變化時(shí)的瞬態(tài)要求。通常增加大電容來(lái)解決分立電感的低電流擺率和相關(guān)的能量?jī)?chǔ)存問(wèn)題。如果是采用耦合電感，僅僅陶瓷電容就足以滿足多數(shù)要求。

耦合電感的優(yōu)勢(shì)不止于此。耦合電感設(shè)計(jì)為負(fù)耦合，當(dāng)各相電流相等時(shí)，來(lái)自所有線圈的互感磁通彼此抵消。后一種情況通常出現(xiàn)在多相應(yīng)用，尤其是采用電流模式控制的架構(gòu)。只有漏磁通將能量?jī)?chǔ)存在耦合電感中，所以圖2所示例子的能量?jī)?chǔ)存對(duì)應(yīng)于50nH/相（而非210nH/相）。這意味著，與分立式電感相比，耦合電感小得多，并且/或者具有較高的額定飽和電流。

針對(duì)將12V轉(zhuǎn)1V、為微處理器供電的典型4相方案，對(duì)兩種磁元件配置進(jìn)行比較：商用的高效分立電感FP1308R3-R21-R與 50nH耦合電感CL1108-4-50TR-R，網(wǎng)上提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)資料［7-8］。假設(shè)分立電感在PCB的 距離為0.5mm，分立電感所占電路板面積大約為722mm2;耦合電感則只需大約396mm，已經(jīng)能夠提供好得多的性能，如圖3所示。同時(shí)，分立電感在室溫+25℃時(shí)Is = 80A （無(wú)疑在較高溫度下更差），而耦合電感在+105℃時(shí)的飽和電流高于110A/相?？蓪?shí)現(xiàn)占位面積減小1.8倍以上，飽和電流提高1.5倍以上。

為了更好地體會(huì)耦合電感的尺寸優(yōu)勢(shì)，可考慮在該4相方案中使用分立電感（物理尺寸更窄），但這樣的電感會(huì)降低額定飽和電流，或者電感值比210nH小。后一種情況將進(jìn)而增大電流紋波、降低效率。

假設(shè)為理想耦合（即Lm/Lk極大），可簡(jiǎn)化式2用來(lái)降低磁耦合電流紋波的乘數(shù)，將式2簡(jiǎn)化為式3［3］?？梢悦黠@看出這種耦合方案的優(yōu)勢(shì)與Nphases的關(guān)系，當(dāng)然在很大程度上也與占空比相關(guān)。更確切地說(shuō)，針對(duì)不同應(yīng)用，可以從占空比D = 0或D = 1區(qū)域獲取更大優(yōu)勢(shì)。

（式3）

現(xiàn)在介紹利用耦合電感優(yōu)勢(shì)的方法。耦合電感電流紋波抵消的式2可歸納為式4。

（式4）

使用較熟悉、較方便的參數(shù)，可根據(jù)參考文獻(xiàn)得出式4的品質(zhì)因數(shù)（FOM）9。

（式5）

式5表示FOM適用于特定的占空比D范圍：

，其中系數(shù)k在

范圍內(nèi)變化。

圖4所示為整個(gè)占空比范圍內(nèi)，不同相數(shù)下電流紋波的減小。繪制電流紋波曲線時(shí)，假設(shè)為理想耦合，L值相同。很明顯，增加耦合相數(shù)比較有利。

注意，對(duì)于采用分立元件的一般方案，針對(duì)給定輸出電流正確增加相數(shù)是一種在成本、尺寸方面都很有優(yōu)勢(shì)的方法。對(duì)于在單芯片集成多個(gè)開關(guān)相的商用化集成方案，也非常具有吸引力。

圖4也標(biāo)記了一個(gè)特殊的占空比：D = 0.15，對(duì)應(yīng)于實(shí)際例子VO = 1.8V，VIN = 12V。該條件繪制成圖5所示曲線，表明耦合系數(shù)ρ = Lm/Lk對(duì)抵消電流紋波的影響。觀察圖4，D = 0.15時(shí)，分立電感的歸一化電流紋波大約為0.5，如圖5紅色曲線所示。相同條件下，如果耦合系數(shù)非常低，4相耦合電感具有相同的電流紋波;隨著耦合系數(shù)增大，電流紋波大幅減小，見圖5。注意，電流紋波在開始下降非常快，在耦合系數(shù)較大時(shí)達(dá)到平坦，建議耦合系數(shù)大約為3至5。利用這種方法，可實(shí)現(xiàn) 的電流紋波抵消。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

假設(shè)我們從采用分立電感的多相降壓轉(zhuǎn)換器開始設(shè)計(jì)，目標(biāo)是利用耦合電感提高系統(tǒng)性能。如果當(dāng)前的分立電感設(shè)計(jì)具有合理的電流紋波，轉(zhuǎn)換器效率也滿足客戶要求。對(duì)于耦合系數(shù)相對(duì)實(shí)用的4相降壓轉(zhuǎn)換器，從式5得到的預(yù)期FOM曲線如圖6所示。

觀察圖6，D確定在大約0.15，可將FOM = 4作為設(shè)計(jì)目標(biāo)。圖7所示為得到的電流紋波：紅色曲線表示分立電感L的初始電流紋波;兩條曲線表示不同耦合系數(shù)下L的電流紋波; 兩條曲線表示L/4時(shí)的電流紋波。與預(yù)期一樣，D大約為0.15時(shí)，分立電感L和耦合電感L/FOM = L/4的電流紋波相當(dāng)。

注意，根據(jù)應(yīng)用的不同，目標(biāo)占空比范圍可能不同，所選FOM可能高于D≈0.15時(shí)的數(shù)值。對(duì)于典型設(shè)計(jì)，選擇FOM = 4，其中利用50nH耦合電感代替210nH高效分立電感，如圖3所示。正如預(yù)期，小得多的電感值必須滿足飽和電流指標(biāo)要求，所以耦合電感尺寸比傳統(tǒng)方案小得多。選項(xiàng)FOM = 4也使瞬態(tài)條件下的電流擺率提高4倍，所以輸出電容可減小大約4倍。

上述設(shè)計(jì)過(guò)程可應(yīng)用到任意相數(shù)。注意，所選FOM不一定單單為了改善瞬態(tài)性能。根據(jù)應(yīng)用條件和客戶要求優(yōu)先級(jí)的不同，可折中選擇FOM，例如直接減小電流紋波，進(jìn)而降低電路各處的傳導(dǎo)損耗。例如，選擇FOM = 4時(shí)，可以只將電感值降低2.6倍（同時(shí)也減小了提高的瞬態(tài)性能），使電流紋波減小、效率提高1.5倍。

隨著耦合電感進(jìn)入不同的電源應(yīng)用領(lǐng)域，毫無(wú)疑問(wèn)將有許多不同客戶從該專有技術(shù)中受益。
責(zé)任編輯 LK