如图1所示,这是一个电感的电流波形。
图1
电流纹波率:∆I/IL=∆I/Io,因为∆I=2Iac,所以∆I/IL=2Iac/IL,要想∆I变小或者接近于零,需要电感磁芯的处理能力大于等于电感储存的能量。磁芯体积与处理能力成正比,与磁芯材质也有关系。
再看一下电感电流与电感能量的关系图,如图2所示。
图2
从上图可以看出,电感的能量越大,电感电流的纹波率越小。这说明电感对电流的遏制能力很强,而纹波率一般取0.4即可。
下面讲一下电感实战计算公式推导,如图3所示。
图3
电感两端感应电压=电感电流的变化率*L,用公式表示为:U=∆I*L/t。
感应电压分为两个状态,开关ON时候的感应电压与开关OFF的感应电压,用公式表示为:Von=∆Ion*L/Ton∆Ion=Von*Ton/L 式1Voff=∆Ioff*L/Toff∆Ioff=Voff*Toff/L 式2
因为占空比D=Ton/T,所以Ton=T*D,等式两边同时被T减,得出Toff=T(1-D),由T=1/f,得Ton=D/f,Toff=(1-D)/f,把Ton、Toff代入式1、2中可得:∆Ion=Von*D/L*f 式3∆Ioff=Voff*(1-D)/L*f 式4
当开关开通时候忽略续流二极管压降,电感两端感应电压等于Vin-Vo;当开关断开时候忽略续流二极管压降,电感两端感应电压等于Vo,将其代入式3、4中可得:∆Ion=(Vin-Vo)*D/L*f 式5∆Ioff=Vo*(1-D)/L*f 式6
由电感纹波率γ=∆I/Io,∆I同样分为ON和OFF时,故而开关ON时候:γ=∆Ion/Io 式7
开关OFF时候:γ=∆Ioff/Io 式8
将其代入式5、6中可得:
Io*γ=(Vin-Vo)*D/L*fL=(Vin-Vo)*D/Io*γ*f 式9Io*γ=Vo*(1-D)/L*fL=Vo*(1-D)/Io*γ*f 式10
在式9、10中,L为实际电感量单位H,Vin输入电压单位V,Vo输出电压单位V,D是占空比,Io是输出电流单位A,f是开关频率单位Hz,γ是纹波系数一般取0.4。
由此可以得出结论:当电感的线径确定下来以后,电感的额定电流就确定下来了,实际设计时要求负载电流不超过电感的额定电流值,最好是负载的峰值电流小于等于电感的额定电流值。一般情况下,电感额定电流我们要放置1.2倍余量,即电感的额定电流大于等于1.2倍的负载峰值电流。
BUCK电路中电感值的实战计算:
图4
如图4所示的BUCK电路中,已知输入电压Vin=24V,输出电压Vo=12V,γ=0.4,L=Vo*(1-D)/Io*γ*f,D=Vo/Vin=12V/24V=1/2,把已知量代入电感公式中:
以上两种方法都可以求得电感值。
计算电感额定电流值:之前我们说过Iac=Io=IL等于平均电流,Iac=1/2*∆I,γ=∆I/Io=0.4,则∆I=γ*Io,计算一下负载的最大值电流Ipk:Ipk =Iac+Idc=1/2*∆I+Io=1/2*γ*Io+Io=(1/2*γ+1)+Io=(0.2+1)+Io=1.2*Io=1.2*2A=2.4A
此时,我们计算出负载的最大值电流Ipk=2.4A。为了防止电感饱和,我们需要在Ipk的基础上放1.2倍的余量。也就是说,电感的实际额定电流IL=1.2*Ipk,IL=1.2*Ipk=1.2*2.4A=2.88A。
最后总结一下:
1、在实际计算电感值时,两个含有占空比的公式都可以使用,计算时注意一下单位换算。
2、Ipk为负载纹波电流的最大峰值电流,以此值作为电感的最低额定电流值使用,可以有效预防电感饱和。为了保险起见,实际工程设计时会在此基础上放置1.2倍余量,当然也可以不放置。电感额定电流选取范围为1.2*Io≤额定电流<2.4*Io,其中Io是负载电流。
BUCK拓扑参数实战计算
在介绍参数计算之前,我们先来了解一下电感电流的纹波率。
关键词: BUCK 拓扑 参数
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