本系列的上一篇文章介紹了如何為降壓開關(guān)穩(wěn)壓器選擇電感器值。本周，我們將仔細(xì)研究開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器中的電感器電流，并考慮增加或減少電路電感的潛在好處。
圖 1.具有電感值的降壓轉(zhuǎn)換器功率級仿真原理圖。
讓我們刷新一下。上次我們用這兩張圖來結(jié)束：在 LTspice 中實(shí)現(xiàn)的降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖（圖 1）；以及輸出電壓和電感電流的仿真結(jié)果（圖 2），其中包含恒定的 70 mA 負(fù)載電流作為參考。
圖 2.降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓（頂部，紅色）、電感器電流（底部，綠色）和負(fù)載電流（底部，橙色）。
輸出電壓和 PWM 占空比
解決這個(gè)問題后，我們來考慮一下 V OUT。我們的預(yù)期輸出電壓為 3.3 V，模擬電路的 V OUT為 3.26 V。占空比計(jì)算中所需的效率項(xiàng)是一個(gè)較小誤差的該項(xiàng)通過開關(guān)的占空比直接影響電路行為- 控制波形，并且 90% 的假設(shè)值并不在所有情況下都是準(zhǔn)確的。
無論如何，我并不真正關(guān)心為什么模擬輸出電壓是 3.26 V 而不是 3.3 V。正如我在有關(guān)開關(guān)模式調(diào)節(jié)的文章中所解釋的那樣，開關(guān)調(diào)節(jié)器無法通過預(yù)定占空比來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。它們通過閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，其中反饋和可調(diào)節(jié)占空比允許調(diào)節(jié)器鎖定所需的輸出電壓。
還請記住，上一篇文章中使用的占空比公式實(shí)際上是占空比的公式：
Dmax=VOUTVIN×效率Dmax=VOUTVIN×效率
這個(gè)公式告訴我們，從 24 V 產(chǎn)生 3.3 V 電壓時(shí)，我們永遠(yuǎn)不需要超過約 15% 的占空比。但是，在某些操作條件下，我們需要低于約 15 %的占空比：例如，如果我保持輸入如果電壓相同并將負(fù)載電流從 70 mA 降低至 5 mA，我需要大約 9% 的占空比才能生成 3.3 V 輸出。
分析電感電流
我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是電感紋波電流為 30%，這意味著和電感電流應(yīng)為 80.5 mA 和 59.5 mA：
egin{array}\ I_{L,max}=70 mA+(0.15 imes70 mA)= 80.5 mA \ I_{L,min}=70 mA-(0.15 imes70 mA)=59.5 mA end{數(shù)組}
正如您從光標(biāo)信息框（圖 3）中看到的，我們已經(jīng)非常接近了：
圖 3.和電感紋波電流值。
雖然我們使用 30% 紋波電流作為目標(biāo)，但更一般的指導(dǎo)方針是在 20% 到 40% 之間。基于此，我們完全在可接受的范圍內(nèi)——我們有一個(gè)適當(dāng)?shù)碾姼兄担绻J(rèn)為有必要，這是一個(gè)很好的優(yōu)化起點(diǎn)。
我還想評論一下當(dāng)前波形的形狀。這是一種不平衡的三角波，如果您搜索開關(guān)調(diào)節(jié)器電感器電流的圖像，您會(huì)看到典型的波形。如果我們疊加開關(guān)控制波形（圖 4），我們會(huì)立即看到導(dǎo)致此特性的原因：
圖 4.疊加在開關(guān)調(diào)節(jié)器電感器電流波形上的開關(guān)控制波形。
正如紅色軌跡所示，我們的占空比遠(yuǎn)低于 50%；因此，開啟時(shí)間明顯短于關(guān)閉時(shí)間。然而，電感器電流在周期的兩個(gè)部分中覆蓋相同的垂直距離，因此高于或低于 50% 的占空比會(huì)導(dǎo)致波形不平衡。
微調(diào)電感值
我們使用了一個(gè)基本公式來得出合理的電感值，但是我們應(yīng)該從哪里開始呢？如果我們對 90 μH 提供的性能感到滿意，我們可以稱其良好并繼續(xù)進(jìn)行下一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)。但通常情況下，還有改進(jìn)的空間。
較高電感值的好處
較高電感值的優(yōu)點(diǎn)之一是減少輸出紋波：電感器電流紋波與電感成反比，如果電路中沒有其他任何改變，則更大的電感器紋波會(huì)導(dǎo)致更大的輸出紋波。
下圖（圖 5 和圖 6）顯示了原始電路 (L = 90 μH) 和 L = 30 μH 的修改電路的ΔI L和 ΔV OUT ；為了便于直觀比較，兩個(gè)軸的配置是相同的。
圖 5. L = 90 μH 時(shí)電感器電流和輸出電壓的紋波幅度。
圖 6. L = 30 μH 時(shí)電感器電流和輸出電壓的紋波幅度。
即使您并不特別關(guān)心 V OUT紋波，高電感器電流紋波仍然可能是不利的。它可能導(dǎo)致：
• 增加了有問題的 EMI 的產(chǎn)生。
• 由于流過電感器、開關(guān)和二極管的 RMS 電流較高，損耗較高，因此效率較低。
• 更容易進(jìn)入不連續(xù)傳導(dǎo)模式 (DCM)。
我們還沒有討論過 DCM。簡而言之，當(dāng)輕負(fù)載條件導(dǎo)致電感器電流在開關(guān)周期的一部分期間達(dá)到零時(shí)，就會(huì)發(fā)生 DCM。DCM 不受歡迎的程度，或者是否根本不受歡迎，取決于應(yīng)用和轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的其他方面。
較低電感值的好處
考慮到所有這些，為什么我們決定使用較低的電感值？
首先，我們期望低值電感器或電容器能帶來非電氣方面的好處：更小、更便宜的元件。此外，較低的電感（與較低的電容一樣）可改善瞬態(tài)響應(yīng)，這意味著轉(zhuǎn)換器可以更快地適應(yīng)輸入電壓和負(fù)載電流的變化。
下一步：選擇電容器
關(guān)于開關(guān)穩(wěn)壓器的電感器選擇主題，我們可能還有很多話要說，但我認(rèn)為我們已經(jīng)涵蓋了重要的原則：如何讀取和分析電感器電流值，以及高于或低于電感值的好處我們初的公式中的那個(gè)。在下一篇文章中，我們將探討電容器的選擇。 |
