电源技术网|技术阅读
登录|注册

您现在的位置是:电源技术网 > 技术阅读 > BUCK电路设计,你知道电流纹波系数 r 有多重要么?(1)

BUCK电路设计,你知道电流纹波系数 r 有多重要么?(1)

Hi 我是“余生死磕电源,致力于成为电源大师”的“电源先生”。------------------------------------------------1. 背景简述开关电源(或开关稳压器)能够将输入电压转换为更高或更低的输出电压。对开关电源的拓扑结构稍微了解即可知道,功率电感是开关电源中必不可少的元件之一。大部分开关稳压器规格书、应用笔记和技术文档中,在进行电感元件选型时都建议将电流纹波系数 r 取值为0.3 。那么,为何在多数应用中 r = 0.3 会是不错的选择呢?此文,尝试从电流纹波系数 r 的定义开始,重新认识该参数;分析为什么 r 的可取范围是 [0, 2] ;分析为什么最终 r 实际都在 [0.2, 0.5] 之间取值;分析最终取值0.2或0.3这两个数值的考量因素或目的是什么…
2. 什么是电流纹波系数 r ?电流纹波系数(Inductor Current Ripple Ratio) r 是指流过电感器电流的纹波电流或峰峰值电流与直流电流的比值,公式化表达如下所示:其中,r 是电流纹波系数,∆I_L 是电感的纹波电流或峰峰值电流,I_(L,DC) 是电感的直流电流,I_(L,AC) 是电感的交流电流(定义为纹波电流的一半)。因为电感的直流电流 I_(L,DC) 在数值上是始终等于负载电流的,因此上述电流纹波系数定义式又可以表示如下:其中,I_(OUT,MAX) 是负载电流最大值。
3. 什么时候需要用到电流纹波系数 r ?如前所述:功率电感是开关电源中必不可少的元件之一。在BUCK电路设计中,功率电感(Power Inductor)的感值(Inductance)决定于输入电压VIN、输出电压VOUT、开关频率FSW和纹波电流 ∆I_L ,如下所示:参考公式(0.2),其中的纹波电流 ∆I_L 又可以使用电流纹波系数 r 和最大负载电流表示如下:那么,功率电感最小值又可以表示如下:因此,我们在进行BUCK电路设计中的电感选型时,就需要确定电感的电流纹波系数 r 这个参数。另外,如图 0.1所示,电流纹波系数 r 还会影响RMS电流和功率损耗。图 0.1 电流纹波系数 r 还会影响RMS电流和功率损耗------------------------------------------------

------------------------------------------------4. 电流纹波系数 r 在电路正常工作中是恒定的还是变化的?参考《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》“5.1 降压电路的设计流程”章节内容,这里将BUCK电路的设计流程简述如下:1)确定设计需求;2)配置输出电压;3)配置开关频率;4)选择合适的电流纹波系数 r ;5)配置功率电感;6)配置输入和输出电容;7)电路辅助功能设计;8)计算误差放大器的频率补偿网络;9)原理图设计,PCB Layout,完成电路设计。可见,其中第4)/5)两个步骤需要完成的重要事项就是,确定合适的电流纹波系数 r ,完成功率电感选型。假设在上述第4步骤中选择的电流纹波系数 r1 = 0.3 。那么,在经历了上述9个步骤完成了BUCK电路设计后,然后制作PCB电路板、SMT贴片,最终在实际工作中的BUCK电路,电流纹波系数 r2 这个参数是恒定的还是变化的?注:此文,理论上电流纹波系数的“设计者选择值”表示为 r1 ,最终电路工作中的实际电流纹波系数表示为 r2 ,下同。

图 0.2 SW Node and Inductor Current Waveforms in CCM

如前所述:假设在上述第4步骤中选择的电流纹波系数 r1 = 0.3,那么这个理论上的电流纹波系数 r1 = 0.3就是恒定的。

但是,参考上图(0.2)和电流纹波系数定义式(0.2)( r = ∆I_L / I_(OUT,MAX) )容易知道,电路实际工作中的负载电流这个参数是在分母中的,也就意味着实际的电流纹波系数 r2 与负载电流的大小成反比关系,在负载电流最大值为 I_(OUT,MAX) 的情况下,实际的负载电流越小,实际的电流纹波系数 r2 也就越大。

如图 0.2所示,以如下电路参数为例:

输入电压 VIN = 12V,输出电压 VOUT = 3.3V,负载电流最大值  Iout,max = 10A,开关频率 Fsw = 400kHz ,理论上选择的电流纹波系数 r1 = 0.3 

那么,在电路设计之初,理论上的纹波电流值为 ΔIL = 0.3*10A = 3A。

① 当电路工作在负载电流 Iout,max = 10A时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout,max = 3A/10A = 0.3。此时的电流纹波系数就是电路设计时的“设计者选择值”。

② 当电路工作在负载电流 Iout = 8A 时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout = 3A/8A = 0.375。

③ 当电路工作在负载电流 Iout = 6A 时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout = 3A/6A = 0.5。

④ 当电路工作在负载电流 Iout = 4A 时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout = 3A/4A = 0.75。

⑤ 当电路工作在负载电流 Iout = 2A 时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout = 3A/2A = 1.5。

⑥ 当电路工作在负载电流 Iout = 1.5A 时,实际电流纹波系数为 r2 = ΔIL / Iout = 3A/1.5A = 2。

图 0.3 电流纹波系数 r 曲线

参考上图,也就是说,在该计算实例中,虽然在电路设计之初,理论上选择的电流纹波系数 r1 = 0.3;但是,电路在实际不同的负载电流条件下,对应的实际电流纹波系数为 r2 是在 [0.3, 2] 这个区间内变化的,与负载电流的大小成反比关系。

未完待续...下回分解...

------------------------------------------------????关注“电源先生”,解析开关电源????内容声明:部分图文参考网络公开内容,如有侵权,联系删除。更新说明:①《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》已经完成24万字600多页,初稿仍在完善中,部分章节内容不完整,无法严格按照章节顺序更新...②通常只能利用睡觉、工作之外属于我们自己的第三个8小时及周末写作,同时更新到订阅号中,所以是“每周&不定时”更新...点点“在看”↘,与朋友分享你的世界