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功率电感器-DC-DC转换器电源IC基础知识

本节将介绍非隔离式开关稳压器的运行机制。DC-DC转换器的结构有降压型、升压型和升压型/降压型。本节将介绍使用降压型开关稳压器的操作机制作为示例。

降压DC-DC转换器基本示意图

图1-降压DC-DC转换器基本示意图

 

降压型开关稳压器的基本电路图如图1所示。电路中安装一个功率电感器。此操作的操作使得,当SW1打开时,SW2关闭,当SW1关闭时,SW2打开。当开关变为ON或OFF时电路的变化如图2所示。功率电感器输入侧端子的位置是A点。

当SW1导通,SW2关断时,输入电源的电压直接提供给功率电感器,A点的电势等于Vin。接下来,当SW1关断和SW2导通时,功率电感器与输入电源隔离并连接到GND。结果,A点的电势等于GND。

开关开/关时的工作原理

图2-开关开/关时的工作原理

 

开关操作重复这两种状态,使功率电感器的输入侧(A点)电压在Vin(V)和0(V)两个值之间反复交替。因此,将幅度为Vin的脉冲电压施加到功率电感器的输入侧。

那么,功率电感器如何工作,以便为输出侧提供固定电压呢?我们来重点介绍构成LC低通滤波电路的功率电感器和平滑电容。我们可以看到,从输入侧提供的脉冲电压由LC电路平滑和输出。当我们以这种方式看待它时,输出固定电压的机制很容易理解。

图3显示了开关操作期间A点电压与Vout之间的关系。上图显示了SW1导通时间总体上为50%的情况,即占空比为50%。该级中的电压被平滑,以便将50%的Vin(Vin/2)输出为输出电压Vout。下图显示了占空比为25%的情况。Vin(Vin/4)的25%作为输出电压 Vout.In 换句话说,当输出电压高时,占空比变高,当输出电压低时,占空比变低。这样,在开关稳压器中,可以改变开关占空比以控制和输出各种电压值。

降压DC-DC变换器的电压控制

图3-降压DC-DC变换器的电压控制

 

我们希望这有助于您了解开关控制可用于控制输出电压。但是,在选择功率电感器时,必须了解功率电感器规格如何影响效率和噪声。为了解释这一点,我们还必须解释流向电感器的电流。

接下来,我们将讨论电感电流。如前所述,功率电感器用于平滑脉冲电压,但它实际上还有另一个重要目的。该角色利用电感器的自感应特性。如图所示,当SW1导通时,对于从输入侧提供的电流,输入电源在SW1关断的那一刻被隔离,因此看起来好像无法提供Iout。使用功率电感器来解决此问题。由于其自感应特性,电感器在阻碍电流变化的方向上产生感应电动势。因此,即使不再向电感器提供电压,电流也会继续流动。

功率电感器的电压和电流波形

图4-功率电感器的电压和电流波形

 

图4显示了DC-DC转换器工作期间施加到功率电感器上的电压波形和电流波形。当SW1导通时,电流从输入电源流向电感器。在这种状态下,电流随时间成比例地增加,储存的能量也增加。当SW1关断时,输入侧的电压变为0(V),但由于电感的特性,电流不会立即停止。相反,它继续流动并随时间成比例地减少。您可以将其视为在SW1打开时存储的能量在SW1关闭时被释放。

通过这种方式,功率电感器工作,使电感器电流连续流动,这表现为三角形波形。流向电感器的三角波电流的幅度大小由以下公式表示。

降压电流公式参数

上述公式中的参数如何影响工作电流波形?

本文提供的Web工具之一是村田制作所DC-DC转换器设计支持工具。该工具可用于选择适合DC-DC转换器工作条件的功率电感器和层压陶瓷电容器。我们可以使用此工具查看参数如何影响DC-DC转换器的操作。

DC-DC转换器设计支持工具示例

图5-DC-DC转换器设计支持工具示例

 

让我们模拟设置标准条件时参数的波动方式,如下所示。(通过将模拟工具计算结果导出到 CSV 文件来绘制图形。

Vin和Vout是决定施加于电感器的电压大小和占空比的参数。这表明,当Vout波动时,电压波形以多种方式变化(图6)。这也表明,频率会因其他参数的波动而变化,但电压大小和占空比不会改变。电流波形也因这种电压波动而变化。
如果Vin和Vout变大,随时间变化的电流变化量也趋于变大,因此纹波电流⊿I变大。

当电感和频率波动时,电压大小不会改变,但这会影响纹波电流的大小。当电感变大时,电流变化减小,纹波电流变小(图7)。此外,当频率变大时,这会缩短一个周期的时间,因此纹波电流变小(图8)。
当Iout波动时,不会观察到三角波电流波形的变化,但电流的平均值会根据Iout的大小而变化(图9)。

Vout波动时的电压和电流波形

图6-Vout波动时的电压和电流波形

 

电感波动时的电压和电流波形

图7-电感波动时的电压和电流波形

 

频率波动时的电压和电流波形

图8-频率波动时的电压和电流波形

 

Iout波动时的电压和电流波形

图9-Iout波动时的电压和电流波形

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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创建时间:2022-06-10 16:14