5.6.3 功率电感的选型步骤
1、如果是降压转换器芯片(BUCK Converter),根据数据手册,确定该转换器芯片能够提供的最大负载电流值 I_(OUT,MAX) ;如果是降压控制器芯片(BUCK Controller),则根据“设计需求”,确定负载电路所需要的最大电流 I_(OUT,MAX) 。
2、选择电流纹波系数(取值范围0.3-0.5之间),确定电感上的峰值电流 I_PK (对应计算公式(3.225) I_(L,PK)=(1+r/2)×I_OUT )。
3、利用公式 L_(BUCK,MIN) = ( V_(IN,MAX)-V_OUT) ) × ( V_OUT/V_(IN,MAX) ) / ( r×I_(OUT,MAX)×F_SW ) 计算感值最小值 L_(BUCK,MIN) ,并结合成品电感的实际感值(±20%精度的常用感值有3.3uH、4.3uH、4.7uH、5.6uH、6.8uH、7uH、7.2uH、7.8uH和10uH)选取与计算出来的最小感值 L_(BUCK,MIN) 接近的电感即可,不宜过大或过小。
因为感值会反过来影响实际电路中的纹波电流,感值越大,纹波电流越小;同时,感值会影响电路的动态响应,感值过大会导致电路对负载的动态响应变差。原理类似于,质量较大的大货车,起步和刹车都会吃力些,响应时间较长;而质量较小的小轿车,起步和刹车都更加轻快,响应时间较短。
4、确认所选电感的温升电流/额定电流要大于 I_(OUT,MAX) ,饱和电流要大于 I_(L,PK) 。
5、最后,功率电感的直流电阻DCR也是可以被关注的参数;DCR越小,降压开关电源电路中的直流电阻损耗(DC Resistance Loss)也就越小,这可以通过直流电阻损耗的计算公式( P_(L,DCR,AVG)=I_OUT^2×DCR )很直观地看出。
5.6.4 功率电感的选型实例
图 5.28 TPS54561DPRT设计需求
图 5.28所示,以TPS54561DPRT设计需求为例,说明降压型开关转换器电路设计中,功率电感的选型过程。
1、此处,“设计需求”中需要支持的最大负载电流为Iout(max) = 5A。
2、选择r = 0.3,则功率电感上的纹波电流理论值为0.3*5A = 1.5A,峰值电流理论值为Ipeak = (1+0.3/2) * 5A = 5.75A。
3、如果选择r = 0.3,计算所需功率电感值最小为Lmin = (60V-5V) * 5V / (0.3 * 5 * 400kHz * 60V) = 7.64uH;如果选择r=0.4,则Lmin = (60V-5V) * 5V / (0.4 * 5 * 400kHz * 60V) = 5.73uH;所以,实际选择5.73uH到7.64uH之间的感值均可。
如果选择6.8uH,通过“3.5.1 纹波电流实际值”章节中的公式,反向计算得到电路中的纹波电流实际值为 (60V-5V) * 5V / (6.8uH*400kHz*60V) = 1.69A,那么峰值电流实际值为5A + (1/2) * 1.69A = 5.85A。
如果选择7.2uH,电路中纹波电流实际值和峰值电流实际值分别1.59A和5.79A。由此可见,确实是感值越大,纹波电流和峰值电流都越小。
4、综上,本实例中对功率电感的基本要求为,感值在5.73uH到7.64uH之间,额定电流不小于5A,饱和电流不小于6A。选择Wurth Elektronik 7447798720,Inductor, Ferrite, 7.2uH, 6.0A, 0.011ohm, SMD,额定/温升电流6.0A(大于电路中实际峰值电流5.79A),符合“设计需求”。
注:这里选择的Wurth Elektronik 7447798720,来自于TPS54561DPRT规格书,读者也可以自行按照上述计算中的参数选择功率电感型号。