1. 背景簡述
開關電源(或開關穩(wěn)壓器)能夠將輸入電壓轉換為更高或更低的輸出電壓。對開關電源的拓撲結構稍微了解即可知道,功率電感是開關電源中必不可少的元件之一。大部分開關穩(wěn)壓器規(guī)格書、應用筆記和技術文檔中,在進行電感元件選型時都建議將電流紋波系數 r 取值為0.3 。
那么,為何在多數應用中 r = 0.3 會是不錯的選擇呢?
此文,嘗試從電流紋波系數 r 的定義開始,重新認識該參數;分析為什么 r 的可取范圍是 [0, 2] ;分析為什么最終 r 實際都在 [0.2, 0.5] 之間取值;分析最終取值0.2或0.3這兩個數值的考量因素或目的是什么…
2. 什么是電流紋波系數 r ?
電流紋波系數(Inductor Current Ripple Ratio) r 是指流過電感器電流的紋波電流或峰峰值電流與直流電流的比值,公式化表達如下所示:
其中,r 是電流紋波系數,?I_L 是電感的紋波電流或峰峰值電流,I_(L,DC) 是電感的直流電流,I_(L,AC) 是電感的交流電流(定義為紋波電流的一半)。因為電感的直流電流 I_(L,DC) 在數值上是始終等于負載電流的,因此上述電流紋波系數定義式又可以表示如下:
其中,I_(OUT,MAX) 是負載電流最大值。
3. 什么時候需要用到電流紋波系數 r ?
如前所述:功率電感是開關電源中必不可少的元件之一。在BUCK電路設計中,功率電感(Power Inductor)的感值(Inductance)決定于輸入電壓VIN、輸出電壓VOUT、開關頻率FSW和紋波電流 ?I_L ,如下所示:
參考公式(0.2),其中的紋波電流 ?I_L 又可以使用電流紋波系數 r 和最大負載電流表示如下:
那么,功率電感最小值又可以表示如下:
因此,我們在進行BUCK電路設計中的電感選型時,就需要確定電感的電流紋波系數 r 這個參數。另外,如圖 0.1所示,電流紋波系數 r 還會影響RMS電流和功率損耗。
圖 0.1 電流紋波系數 r 還會影響RMS電流和功率損耗