選擇合適的電感是開關電源電路設計的關鍵之一。本文將幫助您理解電感值和電路性能之間的關系。

降壓轉換器（buck converter），也稱為降壓轉換器(step-down converter)，是一種開關模式穩壓器（voltage regulator），可以有效地將較高的直流輸入電壓轉換為較低的直流輸出電壓。我們將使用 LTspice 來研究開關模式電壓轉換器的電氣行為。本文將開始探討與電路電感相關的設計任務和權衡。

圖 1 中顯示的 LTspice 原理圖將使我們能夠仿真降壓轉換器的功率級。要成為一個完整的轉換器，我們需要添加一個反饋控制回路來調節電壓。

降壓轉換器電感公式

來自德州儀器的應用筆記提供了以下方程式來計算電感大小：

公式種各項含義如下：

VOUT：是輸出電壓。電壓可以比輸出高或者低。

VIN：同樣地，我們通常期望開關調節器能夠容忍一定范圍的輸入電壓，所以如果您的 VIN 不是固定的，您可以選擇范圍中間的某個值。

fS（開關頻率）：在計算電感值之前，您必須考慮開關頻率。200 kHz 到 2 MHz 之間的某個值是一個合理的起點。

ΔIL：這表示電感電流紋波，即開關元件的通斷動作引起的電感電流上下變化，如圖 2 所示。

為了響應開關元件的開/關動作，降壓轉換器中的電感電流上下波動，超出和低于負載電流（即電感電流的平均值）。這些偏差的大小用電感電流紋波（ΔIL）來表示。

如果我們將電流紋波（CR/ current ripple）表示為預期負載電流的百分比，建議的CR規范為30％。這意味著最大電感電流比預期負載電流高15％，最小電感電流比預期負載電流低15％。

你可能會看到“最大負載電流（maximum load current）”或“滿負載電流（full load current）”這樣的術語，而不是“預期負載電流”。在設定ΔIL目標時，我們不會考慮異常高的瞬態電流。

計算降壓型穩壓電路的電感值

讓我們通過一個具體的例子來說明如何計算電感。我們將在LTspice 電路中更改各種參數，以便我們真正做一些新的事情。

假設我們的目標是接受一個相當高的系統電壓，并生成適用于低功率混合信號嵌入式系統的電源軌。我們假設我們的名義輸入電壓為24 V，期望的輸出電壓為3.3 V，預期負載電流為70 mA。

對于這種類型的應用，首選開關穩壓器，因為如此大的壓差會導致線性穩壓器過熱。

因為我們將為一些模擬電路供電，因此，我們想減少輸出電壓的紋波。此外，我們將選擇更高的開關頻率-比如說1.5 MHz-因為更高的開關頻率有助于減少輸出紋波。

我們還需要選擇一個初始占空比。為此，我們可以使用電路在指定的輸入和輸出電壓下所需的最大占空比，并計算最大占空比如下：

假設效率為90％，所以我們的最大工作周期約為15％：

在圖3中，更新了帶有開關頻率和占空比的示意圖。

我正在使用1μF作為電容C1的默認值。

另外，請注意我已經用電流源 ILOAD 替換了負載電阻。這確保了負載電流無論輸出電壓如何都將保持為70mA。

我們這樣計算電感：

這是更新后的原理圖：

Buck穩壓器功率級仿真

圖5顯示了我們的新降壓轉換器的電感電流、負載電流和輸出電壓：

審核編輯：劉清