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技術(shù)專(zhuān)題
如何為降壓轉換器選擇電感器
作為用于高耗電應用的DC-DC轉換器設計的一部分，組件選擇對于確保向負載穩定地高效輸送功率非常重要。
在眾多的DC-DC轉換器拓撲中，降壓轉換器在將輸入電壓降低到較低水平同時(shí)提供高效功率轉換方面有很多用途。這些功率轉換器的組件選擇常見(jiàn)問(wèn)題是如何為降壓轉換器選擇電感。在降壓轉換器中使用電感器和其他組件的目的是為了限制熱量散失，同時(shí)很大程度地減小電流紋波。
降壓轉換器中的電感
降壓轉換器拓撲如下所示。在此圖中，MOSFET的輸出由PWM信號驅動(dòng)，該PWM信號以用戶(hù)選擇的占空比打開(kāi)和關(guān)閉MOSFET。當PWM信號切換時(shí)，電感器和電容器在向負載提供穩定電流方面起著(zhù)至關(guān)重要的作用。最后，PWM信號的占空比是主要功能，允許用戶(hù)控制輸送到負載的輸出電壓。
電感器將不斷以與PWM信號相同的速率進(jìn)行開(kāi)關(guān)，因此它負責在發(fā)送到輸出的電流上疊加一些輕微的紋波。電感器和電容器形成一個(gè)L濾波器，它基本上是一個(gè)二階帶通濾波器。假設您使用的ESR低的足夠大的電容器，該電容器將提供低阻抗，并且構成波紋的高頻分量將被大大消除。
如何為您的Buck轉換器選擇電感器
電感器的合適值取決于設計可承受的所需紋波電流，以及計劃用于PWM信號的占空比。下式顯示了輸出電壓隨二極管正向壓降和MOSFET導通狀態(tài)壓降的關(guān)系?？紤]這些電壓后，輸出電壓為：
輸出電壓是PWM占空比，二極管正向壓降和MOSFET導通狀態(tài)壓降的函數。
我將跳過(guò)一些數學(xué)運算，直接獲得重要結果。首先，電感和PWM頻率與紋波電壓成反比。其次，紋波也是PWM占空比的二次函數。降壓轉換器中的紋波電流為：
如何在電路圖中為降壓轉換器選擇電感器
注意，PWM信號的上升時(shí)間在兩個(gè)方程式中均不出現。但是，上升時(shí)間很重要，因為它在確定轉換器產(chǎn)生的噪聲和損耗方面起著(zhù)重要的作用（更多信息請參見(jiàn)下文）。重要的結果可以總結如下：
增大占空比會(huì )減少紋波，但也會(huì )使輸出電壓更接近輸入電壓。
增加PWM頻率將減少紋波，但這將增加 MOSFET的散熱。同樣，需要注意的是：使用具有更快邊沿速率的PWM信號將減少較高PWM頻率產(chǎn)生的這些損耗（再次參見(jiàn)下文）。
使用較大的輸入電壓需要使用較大的電感器，以將紋波減小到可接受的水平。通常，請使用較大的電感器以減少紋波。
為什么PWM上升時(shí)間很重要
電感器負責產(chǎn)生并同時(shí)抑制輸出電流的紋波，盡管可以使用上述準則將其設置為設計目標。但是，電感器無(wú)法控制任何開(kāi)關(guān)調節器的一些重要方面：
開(kāi)關(guān)元件的輻射EMI：來(lái)自晶體管的開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )在下游電路中產(chǎn)生一些噪聲。
由集膚效應引起的熱損耗：這是電感器幾何形狀的函數，而不是電感值。如果電感器具有較大的橫截面積和較高的導熱率，則可以較高的速率從電感器散熱。
晶體管中的熱損耗：晶體管在開(kāi)關(guān)和調節過(guò)程中會(huì )散發(fā)大部分熱量。但是，使用更快的邊沿速率將抑制這種熱量損失，因為MOSFET將在PWM振蕩之間更完全地關(guān)斷。
這些噪聲源取決于PWM信號的頻率和邊沿速率。如果在不改變占空比的情況下以較高的開(kāi)關(guān)頻率運行降壓轉換器，則通常會(huì )因MOSFET中的熱量而損失更多的功率。使用更快的邊沿速率的權衡是在下游電路中產(chǎn)生更多高頻噪聲以及通過(guò)集膚效應損失更多熱量的風(fēng)險。