開關電源濾波電感計算與選擇

　　本文將闡明為非隔離式開關電源（SMPS）選用電感的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設計的應用，像電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）和負載點（POL）型電源，但不包括基于更大底板的系統(tǒng)。

　　圖1所示為一個降壓拓撲結(jié)構電源的架構，該構架廣泛應用于輸出電壓小于輸入電壓的系統(tǒng)。在典型的降壓拓撲結(jié)構電路中，當開關（Q1）閉合時，電流開始通過這個開關流向輸出端，并以某一速率穩(wěn)步增大，增加速率取決于電路電感。根據(jù)楞次定律，di=E*dt/L，流過電感的電流所發(fā)生的變化量等于電壓乘以時間變化量，再除以這個電感值。由于流過負載電阻RL的電流穩(wěn)定增加，輸出電壓成正比增大。

　　在達到預定的電壓或電流限值時，控制集成電路將開關斷開，從而使電感周圍的磁場衰減，并使偏置二極管D1正向?qū)?，從而繼續(xù)向輸出電路供給電流，直至開關再度接通。這一循環(huán)反復進行，而開關的次數(shù)由控制集成電路來確定，并將輸出電壓調(diào)控在要求的電壓值上。圖2所示為在若干個開關循環(huán)周期內(nèi)，流過電感和其它降壓拓撲電路元件上的電壓和電流波形。

　　電感值對于在開關斷開期間保持流向負載的電流很關鍵。所以必須算出保持降壓變換器輸出電流所必需的最小電感值，以確保在輸出電壓和輸入電流處于最差條件下，仍能夠為負載供應足夠的電流。為確定最小的電感值，需要知道如下信息：

　　·輸入電壓范圍

　　·輸出電壓及其規(guī)定范圍

　　·工作頻率（開關頻率）

　　·電感紋波電流

　　·運行模式；連續(xù)運行模式還是非連續(xù)運行模式

　　下列公式用于計算降壓變換器所需的電感值：

　　L1 = Vo（1-Vo/（Vin-Von））/（f*dI）

　　連續(xù)運行模式下：dI 《 1/2I

　　為了算出適用于電源整個運行條件的最小電感值，對參數(shù)值的選擇必須能夠保證在各項參數(shù)處于最不利組合的條件下，所選擇的這一電感值仍能將紋波電流保持在特定的數(shù)值范圍內(nèi)。而針對降壓型電源，其最不利組合條件為：輸入電壓和頻率均處于各自的最低數(shù)值時。此外，還要將輸出電壓也取為其最小規(guī)定值，以確定能夠保持正常調(diào)節(jié)功能所需的最低電感值。設計者可以按照自己所習慣的方式，對這些數(shù)值進行控制，以達到最差條件成立的狀態(tài)。

　　按照表1中所列出的數(shù)據(jù)，最小電感值計算如下：

　　L1（min） = Vo（min）（1-Vo（min）/（Vin（min）-Von））/（f（min）*dI）

　　L1（min） = 4.95V（1-4.95V/（20V-0.7V））/（693，000Hz * 0.5A）

　　L1（min） = 10.6uh

　　因此，在這一具體應用中，電感的電感值至少為10.6 μh，而其電流額定值也要在最低的20安培的工作電流之上，并保持足夠的安全系數(shù)。而如果選擇一個電感值低于此最小值的電感，就將導致降壓變換器可能無法在最大電流下將其輸出電壓保持在規(guī)定范圍內(nèi)。

　　將電感值確定以后，實際電感的設計必須符合相關電氣標準、系統(tǒng)尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應商均提供各種型號的標準產(chǎn)品，可滿足絕大多數(shù)的設計標準要求。

　　但是，在設計中采用現(xiàn)貨供應的標準產(chǎn)品，有可能導致電感的性能和尺寸方面有所不足，并可能最終對產(chǎn)品的銷售造成不利影響。而幸運的是，包括泰科電子CoEv 磁性組件部在內(nèi)的一些供應商，能夠提供必要的定制工程設計支持， 以滿足將特定電感值、電氣性能和外形限制要求結(jié)合在一款完全成熟的產(chǎn)品上，促進設計的最優(yōu)化。充分利用了業(yè)界的專業(yè)技術，從而最大程度地縮短了設計和測試的時間，加速產(chǎn)品的上市。