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工程师读《精通开关电源》后留下的总结和疑问(2)

技术中心

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工程师读《精通开关电源》后留下的总结和疑问(2)

分类:
电源技术
作者:
广州市爱浦电子科技有限公司
来源:
原创
发布时间:
2019/10/28
浏览量
第二章
DC-DC变换器设计与磁学基础
开关电源的磁性元件设计/选择除了对变换器的整体性能和体积起决定性作用外,还影响到其他想关功率器件的选额和价格。
对于离线式电源设计,除了使用电感之外,不可避免的采用一个隔离变压器。
变压器的高频效应:集肤效应好邻近效应。
我们经常以最恶劣情况来选择功率器件,以保证它们能在应用中安全运行。
设计具有一定功能的开关变换器是不难的,但是要把它设计的性能良好却不是一件容易的事。
 
D=Vff/(Von+Voff)这个公式,对所有拓扑,占空比都是相等的。
Von代表开关导通时电感电压
Voff代表开关关断时电压
BUCK,BOOST,buck-boost的传递函数之所以不同,是因为他们的Von和Voff的表达式不同。

2.2电感电流波形的直流分量和交流纹波
V=L*di/dt可得▲I=V*▲t/L.
电感电流的纹波值▲I完全取决于伏秒数和电感量。讨论它的伏秒数和讨论它的▲I是等效的。
伏秒数有什么决定的?
取决于输入/输出电压和开关频率。
只有通过改变L,f或者D才可改变▲I,没有其他方法可以改变电感电流纹波。
Idc成为电感电流的均值,定义为纹波电流对称轴处的电流值。
Idc仅决定于传输能量--即维持相应的输入/输出电压和输出功率所需的平均能量。
 
改变电感L不会影响到Idc
改变频率f也不会影响到Idc
对于BOOST和BUCK-BOOST变换器,改变占空比D会影响Idc。
Idc=Io(buck)
Idc=Io/(1-D) (Boost.buck-boost)
对于buck变换器,其输出和滤波电感串联,因此滤波电感的平均电流必须等于负载电流。然而,对于BOOST和BUCK-BOOST变换器,输出与二极管串联,所以二极管的平均电流等于负载电流。
前文提到,所有二极管的电流都是脉动的。
改变BUCK电流滤波电感平均电流IDC的唯一方法就是改变负载电流。但是,在BOOST和BUCK-Boost电路中,Idc还取决于占空比。这就导致这两种拓扑的磁性元件设计和Buck有很大的不同。
对于这三种变换器,滤波电感电流的直流分量和负载电流均成正比。
对于这三种拓扑,改变占空比D均改变电压的作用时间,进而改变伏秒数,所以改变占空比将使他们的电感中的纹波电压改变。
总结:对BOOST和buck-boost电路,改变占空比会影响Idc(书中这里貌似有点错了,他的原文是“对BOOST和BOOST-BUCK电路”)
对所有的拓扑,改变占空比都会影响电感电流纹波▲I。
增加电感值和增大开关频率都会使电感电流纹波减小。且不影响Idc
问题:怎样区别某拓扑是否为“BUCK衍生电路”?(疑问)
输出电路有LC滤波器,是这个原因么?(疑问)
2.3 交流电流,直流电流和峰值电流的确定
r称为电流纹波率,通常,不论是何种拓扑,也不论变换器的开关频率及其应用条件如何,r取0.3-0.5之间的值是比较合适的。设计变换器时首先要确定r。
磁芯损耗仅仅由电感的交流电流▲I决定,而与其直流电流Idc无关。
所有变换器中,电感峰值电流,开关峰值电流,二极管峰值电流都是相同的。
峰值电流是电感电流最重要的电流量,不仅是热量和能量,还是能够瞬时破坏开关的潜在因素。
电感电流太大,磁芯容易饱和,会哟很大的电流产生。
峰值电感电流是电感电流波形中最容易使磁芯饱和的电流值。
2.4 认识交流电流,直流电流和峰值电流
对于buck电流,因为在开关管导通和关断都有能量通过电感传递到输出端,因此电感的平均电流必须一直和负载电流相等。
Boost和BUCK-BOOST电路中,能量尽在开关管关断时通过二极管传递到输出端,因此,二极管的平均电流必须和负载电流相等。
2.5 最“恶劣”输入电压的确定
是峰值电流达到最大的输入电压为最恶劣输入电压。
占空比D宽相当于低输入电压。
对于BUCK电路
buck电流中滤波电感的交流电流随着输入电压的增加而增加。
峰值电流也随着输入电压的增加而增加
要在最大输入电压Vinmax下来设计BUCK电路
对于BUCK-BOOST
电感的直流电流随输入电压的增加而减小
要最小输入电压Vinmin下设计BUCK-boost电路
boost电路在最下输入电压Vinmin下设计BOOST电路。
2.6 电流纹波率r
电流纹波率r,它是电感电流的交流分量与其相应的直流分量的比值。即r=▲I/IL
r的有效范围为0-2,r等于0,电感量无穷大,r=2,变换器工作在临界连续模式(BCM)
对于任何场合,r取0.3-0.5为合适的,最好选0.4
电感磁芯的能量处理能力与电感值和峰值电流的平方成正比
2.10 频率对电感量和电感体积的影响
电感量与频率成反比
电感的体积与变换器频率成反比
电感额定电流与频率无关。
电感量与负载电流成反比
电感的体积与负载电流成正比。
2.13 在给定应用中我们需哟考虑哪些电感电流额定值
所有电流限制回路都需要一定时间响应,比较器,运算放大器,电平转移电路,驱动电路等IC引脚驱动都有延迟
如果用内部集成开关管的IC控制器,PCB寄生电感将抑制电流的突然变化
开关管需要一定的时间来完成关断,大功率MOSFET有很大的栅极寄生电阻和寄生电感以及极间电容,需要充放电。
若把若干个MOSFET并联,在大电流场合,问题会更严重。
2.15 实际例子
以boost变换器为例,若输入电压12-15V,输出电压24V,最大负载电流2A,开关管频率分别为100khz,200khz,1mhz,那么在每种情况下,它最适合的电感量分别是多少?各种情况的峰值电流分别是多大?能量处理的要求是什么?
有没有大侠可以谈谈自己的想法啊,长辈们都不关心我们这帮小辈了。
首先需要考虑的是,对于此拓扑(BOOST,包括BUCK-BOOST变换器),输入电压最小时是其最恶劣的情况,因为此时占空比最大,并且平均电流IL=Io/(1-D)最大,所以设计中,完全不用考虑Vinmax。
占空比D=(Vo-Vin)/Vo=(24-12)/24=0.5
IL=Io/(1-D)=2/(1-D)=4A
假设电流纹波率为0.4,则Ipk=IL(1+r/2)=4*(1+0.4/2)=4.8A
峰值电流不收开关频率的影响,选额定值为4.8A的电感即可,不用考虑频率。但是,电感体积随频率变化而变化,因为体积是1/2*L*Ipk*Ipk,电感量随频率变化而变化。
选定r之后,对于BOOST电路有Von=Voff,因此开关频率为100KHZ时候,L=Von*D/(r*IL*f)=12*0.5/(0.4*4*100*1000)=37.5uH
当f=200Khz时,得到的结果是改值的一般,即18.75uH
当f=1MHZ时,得到的电感量为3.75uH.
因此可知,频率越高电感量越小。
 

 

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