8. 更近一步,电流纹波系数 r1 该选择0.2、0.3还是0.4,为什么呢?
在上述第5小节中(纹波电流 ΔIL 在电路正常工作中是恒定的还是变化的?),我们基于I(电流)值的“关键条件”,得出的结论是:
在电路设计之初,BUCK电路功率电感选型时,电流纹波系数 r 需要在 [0, 2] 区间取值,是为了保证设计完成的电路在大多数负载电流条件下都工作在CCM模式下。
在上述第6小节中(BUCK电路功率电感选型时,电流纹波系数 r 需要在 [0, 2] 之间取值,为什么?),我们基于不同电流纹波系数 r1 下DCM和CCM两个模式占比不同的对比,得出的结论是:
为了使BUCK电路能够在更多的负载电流范围内都工作在CCM模式下,多数资料中推荐的电流纹波系数 r1 的取值区间都是 [0.3, 0.5] 。
那么,有些资料或BUCK芯片规格书中给出的更进一步的准则是,对于输出端是低ESR电容(如MLCC)的设计,选择电流纹波系数r1为0.3或0.4较为合适;对于输出端是较高ESR电容(如铝电解电容、钽电解电容)的设计,选择电流纹波系数r1为0.2较为合适。
这又是为什么呢?为什么选择电流纹波系数r,与功率电感选型有关,还与输出电容的类型或ESR参数有关呢?
参考前述公式(0.4)( ∆I_L = r × I_OUT )可知,电感纹波电流理论值是电流纹波系数与负载电流的乘积。
参考《开关电源宝典 降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.2.4.5 输出纹波电压”章节的公式
∆V_(COUT,ESR) = ∆I_L × ESR_COUT
(3.175)
或
∆V_COUT = ∆I_L × [ ESR_COUT + 1 / ( 8 × C_OUT × F_SW ) ]
(3.196)
可知,ESR纹波电压分量是电感纹波电流与ESR的乘积。
因此,在电路设计之初,相对于选择较大的电流纹波系数,如果选择相对较小的电流纹波系数,就能够获得相对较小的纹波电流 ∆I_L ,这样有利于减小输出纹波电压值,有利于减小输入电容、输出电容、开关管和功率电感上的功率损耗(也就意味着有利于提升BUCK电路的转换效率),参考图 0.1。
既然选择相对较小的电流纹波系数有利于减小输出纹波电压值,那么为什么不推荐小于0.2的电流纹波系数呢?
如图 0.7所示,同时参考公式(0.3)( L_(BUCK,MIN) = ( VIN,MAX - VOUT ) × VOUT / ( ∆I_L × FSW × VIN,MAX ) ),这是因为BUCK电路中纹波电流大小与功率电感值成反比关系,更小的纹波电流就需要更大的电感量,进而也对应着更大的电感元件尺寸。
因此综合来看,电流纹波系数 r1 的取值遵循的总体原则就是所谓的“转换效率与元件尺寸的权衡取舍”。
9. 总结
此文,从电流纹波系数 r 的定义开始,
① 解释说明了“什么时候需要用到电流纹波系数 r ”,除了需要用于功率电感选型外,还会影响RMS电流和功率损耗。
② 解释说明了,虽然在电路设计之初,理论上选择的电流纹波系数 r1 是恒定的常数,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。
③ 解释说明了,BUCK电路功率电感选型时,电流纹波系数 r 需要在 [0,2] 之间取值的原因,即是为了保证设计完成的电路在大多数负载电流条件下都工作在CCM模式下。而且,在不同电流纹波系数 r1 下DCM和CCM两个模式的占比不同,虽然理论上的电流纹波系数 r1 可以在 [0, 2] 区间取值,但是更多时候,为了使BUCK电路能够在更多的负载电流范围内都工作在CCM模式下,包括《精通开关电源设计》在内的多数资料中推荐的电流纹波系数 r1 的取值区间都是 [0.3, 0.5] 。
④ 有些资料中给出的,对于输出端是低ESR电容(如MLCC)的设计,选择电流纹波系数r1为0.3或0.4较为合适;对于输出端是较高ESR电容(如铝电解电容、钽电解电容)的设计,选择电流纹波系数r1为0.2较为合适。是因为相对较小的电流纹波系数,就能够获得相对较小的纹波电流 ∆I_L ,这样有利于减小输出纹波电压值。
⑤ 如图 0.2所示,且参考公式(0.5)可知,在其他参数不变的情况下,电流纹波系数 r 与电感值成反比关系。如果在电路设计之初选择了较小的电流纹波系数,也就意味着电路中需要使用的电感值会相对较大,这也就意味着电感元件的体积也会相对较大。
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