计算降压转换器的电容和电感尺寸

电器工程 直流-直流转换器 降压
2022-01-08 23:28:06

为降压 DCDC 转换器选择电感器和电容器值的想法是什么(通常没有特定的部件号)?

我尝试了低电阻的随机一个,它有点工作,但想知道计算最佳值背后的想法(基于频率和最大电流)。

3个回答

这是一个基本的降压转换器:

降压转换器

通过电感的电流为\$I_L\$,电感上的电压为\$V_L\$。负载(电阻)和电容上的电压为 \$V_{out}\$。上部状态称为开启状态,下部状态称为关闭状态。开关由 PWM 信号控制。

\$V_L\$ 与 \$I_L\$ 的关系为: $$ V_{L}=L\frac{dI_L}{dt} $$ 当转换器的开关闭合时,\$V_L = V_{in} - V_{out}\$,因此电感上的电压为正。这意味着通过电感器的电流将增加,如上述关系所述。当开关闭合时,\$V_L = - V_{out}\$(此处忽略二极管上的电压降)。因此通过电感器的电流会减少。

电感限制了电流的增加和减少的速率。所以使用更大的电感来获得更小的电流纹波。因为电容器在这里起到了电压缓冲器的作用,所以较大的电容器将使电压纹波更小。

当然,一切都取决于 PWM 信号的频率。频率越高,电流增加的时间越短。所以更高的频率会降低电流纹波。

当您制造或购买电感器时,请确保电感器可以处理的电流大于峰值电流,即平均电流 + 电流纹波的 50%。

当您购买电容器时,请确保它具有低 ESR,以便将功率损耗降至最低。

这个网站上有关于如何计算所需电感和电容的很好的解释:http ://www.daycounter.com/LabBook/BuckConverter/Buck-Converter-Equations.phtml还有一个计算器可以用来计算所需的电感和电容。

设计自己的降压(或升压)转换器真的很有趣!您必须考虑开关中的开关和电导损耗、电感器中的电导和磁芯损耗、电容和二极管中的损耗。设计降压转换器正在寻找具有最高效率和最低成本的频率、C 和 L 组合。(不要像我今天早上那样把你的转换器变成无线电发射器:-P)

图片来自维基百科,其中有一篇关于降压转换器的精彩文章

电感器的选择至关重要,原因有很多:

  • 它决定了来自电容器的纹波电流,因此,施加在其 ESR 上的纹波电压,即您的输出纹波电压
  • 它指示转换器在哪个负载下从不连续模式转换为连续模式,这对于了解反馈环路稳定性很重要(不连续模式降压仅需要一个单极点补偿网络;连续模式降压需要两个)、功耗(在相同功率水平下,非连续模式降压的峰值和 RMS 开关功率高于连续模式降压)和占空比(非连续模式降压具有导致占空比随负载变化的死区时间组件) ; 连续模式降压的占空比相对于负载基本上是固定的)
  • 电感器的电流压摆率将设置转换器瞬态响应的上限

一般来说,选择所需的电感器会更容易,然后根据纹波电压来确定输出电容的大小;确保组合 ESR 为您提供所需的纹波,并且电容的额定值适合电感器将提供的纹波电流和频率。

您必须确保在最坏的过载情况下电感不会饱和,因为直流电流会导致磁性材料的磁导率下降,从而使开关纹波升高。如果您没有磁性设计经验,选择适合降压的现成电感器会更容易(即指定在饱和之前它可以处理多少电流的电感器)。

[使用诸如 Sendust 和 Kool-Mu 之类的分布间隙铁氧体材料很有趣,它们可以在不饱和和炸毁开关的情况下进行大量滥用,但我离题了...]

Linear拥有出色的数据表,其中包含有关为 SMPS 选择组件的大量信息。例如,当我查看LTC3127的数据表时,我会看到有关降压-升压电感器选择输出和输入电容器选择以及电容器选择示例的部分。数据表有详细的计算。