5.6.3 功率电感的选型步骤
1、如果是降压转换器芯片(buck converter),根据数据手册,确定该转换器芯片能够提供的最大负载电流值 i_(out,max) ;如果是降压控制器芯片(buck controller),则根据“设计需求”,确定负载电路所需要的最大电流 i_(out,max) 。
2、选择电流纹波系数(取值范围0.3-0.5之间),确定电感上的峰值电流 i_pk (对应计算公式**(3.225) i_(l,pk)=(1+r/2)×i_out** )。
3、利用公式 l_(buck,min) = ( v_(in,max)-v_out) ) × ( v_out/v_(in,max) ) / ( r×i_(out,max)×f_sw ) 计算感值最小值 l_(buck,min) ,并结合成品电感的实际感值(±20%精度的常用感值有3.3uh、4.3uh、4.7uh、5.6uh、6.8uh、7uh、7.2uh、7.8uh和10uh)选取与计算出来的最小感值 l_(buck,min) 接近的电感即可,不宜过大或过小。
因为感值会反过来影响实际电路中的纹波电流,感值越大,纹波电流越小;同时,感值会影响电路的动态响应,感值过大会导致电路对负载的动态响应变差。原理类似于,质量较大的大货车,起步和刹车都会吃力些,响应时间较长;而质量较小的小轿车,起步和刹车都更加轻快,响应时间较短。
4、确认所选电感的温升电流/额定电流要大于 i_(out,max) ,饱和电流要大于 i_(l,pk) 。
5、最后,功率电感的直流电阻dcr也是可以被关注的参数;dcr越小,降压开关电源电路中的直流电阻损耗(dc resistance loss)也就越小,这可以通过直流电阻损耗的计算公式( p_(l,dcr,avg)=i_out^2×dcr )很直观地看出。
5.6.4 功率电感的选型实例
图 5.28 tps54561dprt设计需求
图 5.28所示,以tps54561dprt设计需求为例,说明降压型开关转换器电路设计中,功率电感的选型过程。
1、此处,“设计需求”中需要支持的最大负载电流为iout(max) = 5a。
2、选择r = 0.3,则功率电感上的纹波电流理论值为0.3*5a = 1.5a,峰值电流理论值为ipeak = (1+0.3/2) * 5a = 5.75a。
3、如果选择r = 0.3,计算所需功率电感值最小为lmin = (60v-5v) * 5v / (0.3 * 5 * 400khz * 60v) = 7.64uh;如果选择r=0.4,则lmin = (60v-5v) * 5v / (0.4 * 5 * 400khz * 60v) = 5.73uh;所以,实际选择5.73uh到7.64uh之间的感值均可。
如果选择6.8uh,通过“3.5.1 纹波电流实际值”章节中的公式,反向计算得到电路中的纹波电流实际值为 (60v-5v) * 5v / (6.8uh400khz60v) = 1.69a,那么峰值电流实际值为5a + (1/2) * 1.69a = 5.85a。
如果选择7.2uh,电路中纹波电流实际值和峰值电流实际值分别1.59a和5.79a。由此可见,确实是感值越大,纹波电流和峰值电流都越小。
4、综上,本实例中对功率电感的基本要求为,感值在5.73uh到7.64uh之间,额定电流不小于5a,饱和电流不小于6a。选择wurth elektronik 7447798720,inductor, ferrite, 7.2uh, 6.0a, 0.011ohm, smd,额定/温升电流6.0a(大于电路中实际峰值电流5.79a),符合“设计需求”。
注:这里选择的wurth elektronik 7447798720,来自于tps54561dprt规格书,读者也可以自行按照上述计算中的参数选择功率电感型号。
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