如何为以下降压稳压器选择正确的电感值?

电器工程 电感器 降压 电感
2022-01-24 20:09:41

首先,我数学有点烂,而且我不是电子天才,所以我做的事情是为了好玩和学习……

我正在开发一个降压转换器电路,将我的 USB Vbus 5V 转换为 3.3V。我选择了AP5100,发现找出某些组件的正确值非常具有挑战性。

数据表在第 6 页的表 1 中巧妙地指定了 R1(49.9kΩ) 和 R2(16.2kΩ) 的值,以建立 3.3V 的输出电压,但我发现它有点像火车粉碎理解如何计算L1电感的电感值。数据表在第 2 页,图 3 中指出 3.3µH:

在此处输入图像描述

我想更好地了解 3.3µH 是如何计算的,如果这实际上是我的应用程序的正确值。

现在回到数据表,计算 L 的公式如下:

$$ L = \frac{Vout \times (Vin - Vout)}{Vin \times \Delta IL \times fSW} $$

其中 ΔIL 是电感纹波电流,fSW 是降压转换器的开关频率。

数据表指出:

选择电感纹波电流为最大负载电流的 30%。最大电感峰值电流由下式计算:

$$ IL(MAX) = ILOAD + \frac{\Delta IL}{2} $$

好吧,这就是我非常迷失的地方,并尽我所能将我的小脑袋包裹在价值上。

我知道以下内容:

  • Vin = 5V (USB Vbus)
  • 输出电压 = 3.3V
  • fSW = 1.4MHz
  • I = 2.4A(我认为)

如何确定 ΔIL(纹波电流)以获得电感值?

我的公式最终应该看起来像这样,对吧?

$$ L = \frac{3.3V \times (5V - 3.3V)}{5V \times \Delta IL \times 1.4MHz} $$

但是什么是 ΔIL?

另外我认为降压转换器应该允许输入范围为 Vin,在这种情况下,4.75V 到 24V?

这是我在 Eagle CAD 中绘制的示意图:

在此处输入图像描述

4个回答

为降压稳压器选择电感值直接来自 V = \$\frac{\text{L di} }{\text{dt}}\$。其中 V 是电感两端的电压,i 是通过它的电流。首先,您要针对电感器处于连续导通模式 (CCM) 的情况进行设计。这意味着电感器中的能量不会在开关周期内耗尽。因此,有两种状态,一种是开关打开,另一种是开关关闭(整流器打开)。每个状态下电感两端的电压本质上是一个常数(尽管每个状态的值不同)。无论如何,由于电压是常数,电感方程可以线性化(并重新排列以给出 L)。

  • L = \$\frac{V \text{$\Delta $t}}{\text{$\Delta $I}}\$ 这是您在应用笔记中看到的等式的基础。

  • \$\text {$\Delta $I}\$ 是您定义的,而不是确定的。

您需要保持 CCM 操作,因此将 \$\text {$\Delta $I}\$ 定义为电感电流 (I) 的一小部分。一个不错的选择是 I 的 10%。因此,对于您的情况 \$\text {$\Delta $I}\$ 将是 0.24A。这也将定义输出电容器中的纹波电流,纹波电流越小意味着输出上的纹波电压越小。

现在您可以使用 \$V_{\text{in}}\$ 和 \$V_o\$ 选择 L 的最佳值(因此占空比 D = \$\frac {V_o} {V_ {\text {in }}}\$)。但您也可以使用 L ~ \$\frac{10 V_o}{I_o F_{\text{sw} 对不考虑 \$V_{\text{in}}\$ 的电感进行快速高估}}\$ (有关此外观的更多信息,请点击此处如何为降压稳压器电路选择电感器?)。高估可能是值得的,特别是如果您处于开发初期或不确定输出电流究竟有多少(输出电流通常最终会高于预期)。

由于您正在查看凌力尔特,您应该(正如 Anindo Ghosh 指出的那样)也考虑使用他们的 CAD 支持。

要设计降压稳压电路,最好从制造商网站上的各种免费在线电源设计工具之一开始,例如:

通过提供您的要求(例如可接受的波纹)作为参数,该工具通常会列出一组符合目的的控制器。这通常比从已经确定的控制器开始,然后尝试偏离支持组件的数据表指定值更安全。

许多提到的免费“电源设计器”工具都提供完整的材料清单作为输出 - 包括所需的电感器,通常带有零件编号。

一些(例如 TI WeBench)还提供推荐的布局和所需的电路板空间估计。一些工具还允许将所需的电路板空间作为设计参数,以及组件数量、成本和其他偏好。

如果您选择了错误的电感器,可能有助于理解会发生什么。

如果选择的电感值太低,则通过它的电流在每个开关周期内都会发生太大变化。电流在开关周期内可能增长得如此之多,以至于超过了驱动电感器的电路的电流能力。这种高纹波电流对输出侧的电容器也不利。电容器中的 ESR 损耗会很高,或者纹波电流将超过电容器的额定值而导致失效。

如果您选择一个值太大的电感器,您将支付很多您不需要的电感器。带磁芯的电感器具有饱和电流。这是铁芯不能再吸收磁通量的电流,电感器不再是有铁芯的电感器,而开始几乎是一根导线。对于给定尺寸和材料的给定磁芯,您可以简单地通过在其周围放置更多匝数来制造具有更高电感的电感器。但是,这些匝数中的每一个都会贡献更多的磁通量,因此通过增加更多匝数,您也会降低电感器的饱和电流,因为您的电流将乘以导线的匝数以达到通过电感器的磁通量. 因此,如果您想要在相同的饱和电流下获得更高的电感,则需要物理上更大的磁芯。

我将对数学的解释留给另一个答案。我不是最擅长这些事情的。

如何确定 ΔIL(纹波电流)以获得电感值?

使用芯片制造商提供的经验法则(选择一个等于预期最大直流输出电流的 30% 的值)。此外,第 8 页上的注释说“对于大多数应用,建议使用直流电流额定值至少比最大负载电流高 25% 的 1μH 至 10μH 电感器”。

I = 2.4A(我认为)

但是,听起来您不确定预期的最大直流输出电流是多少。

看看这个无耻地从维基百科借来的波形:

无耻地借用维基百科

电感电流显示在底部。斜坡的大小由下式定义

\$V_L = L \cdot \dfrac{\Delta I}{\Delta t}\$

您可以通过斜坡的大小来定义电感器:也就是说,通过选择最大预期直流输出电流的 30% 的值(波形中的 \$I_{av}\$)。这就是为什么在尝试选择电感器之前了解您的最大预期直流输出电流很重要的原因。

还要记住,这部分有内部误差放大器补偿,这将对输出 LC 滤波器施加限制(不要偏离它们的电感范围,除非你有设备来测量转换器的闭环频率响应)。