选择降压开关电压调节器的电感值

选择合适的电感器是开关调节器成功设计与实施的关键之一。本文将帮助您理解电感器值与电路性能之间的关系。

降压转换器，也称为降压变换器，是一种开关模式电压调节器，能够高效地将直流输入电压转换为较低的直流输出电压。在本系列文章中，我们将使用LTspice来研究开关模式电压转换器的电气行为。本文将开始探讨与电路电感器相关的设计任务和权衡因素。

图1中显示的LTspice示意图将使我们能够模拟降压转换器的功率级。要构成一个完整的转换器，我们还需要添加一个反馈控制环以调节电压。

模拟降压变换器功率级电路原理图

•图1。模拟降压变换器功率级电路原理图

降压转换器电感公式

Texas Instruments的应用说明提供了用于计算电感器尺寸的以下方程式：

VOUT：这是你想要设计的调节输出电压。最后，您可能会使用具有更高或更低输出电压的调节器，这是很好的，但如果您对输出电压进行重大更改，转换器可能受益于新的电感值。

VIN：同样，我们通常希望开关调节器能够耐受一定范围的输入电压，所以如果您的VIN不是固定的，那么您可以选择一个在该范围中间的值。

fS（开关频率）：在计算电感值之前，必须先考虑开关频率。在200 kHz和2 MHz之间的一些频率是一个合理的起点。如果你想要一些指导，你应该赞成这个范围的低端还是高端，请看一下我的文章，标题是如何选择你的开关调节器的频率。

ΔIL：表示电感器电流纹波，即电感器电流的峰峰值变化，如图2所示

降压变换器电感电流纹波

•图2。降压变换器电感电流纹波

响应于开关元件的导通/截止动作，降压转换器中的电感器电流向上和向下倾斜，在负载电流（其为电感器电流的平均值）之上和之下延伸。这些偏差的大小表示为电感器电流纹波（ΔIL）。

如果我们将电流纹波（CR）表示为预期负载电流的百分比，则建议的CR规格为30%。这意味着最大电感器电流高于预期负载电流15%，最小电感器电流低于预期负载电流15%。

您可能会看到像“最大负载电流”或“满负载电流”这样的术语，而不是“预期负载电流”。我将所有这些解释为调节器需要长期提供的最大负载电流。当设定ΔIL目标时，我不会考虑异常高的瞬态电流。

计算降压变换器电感实例

让我们举一个电感器尺寸的例子。我们将更改LTspice电路中的各种参数，这样我们才真正在这里做一些新的事情。

让我们想象一下，我们的目标是接受相当高的系统电压，并生成适用于低功率、混合信号嵌入式系统的电压轨。我们将说我们的额定输入电压是24伏，我们希望的输出电压是3.3伏。预期负载电流是70毫安。

开关调节器对于这种应用是优选的，因为大的输入-输出差将仅仅加强线性调节器固有的低效性。

因为我们会为一些模拟电路供电，所以我希望减少输出电压中的纹波。另外，我会选择更高的开关频率，比如说1.5 MHz，因为更高的开关频率有助于减少输出纹波。

我们还需要选择初始工作循环。为此，我们可以使用电路在指定输入和输出电压下所需的最大占空比，我们计算最大占空比如下：

效率的合理近似值为90%，因此我们的最大占空比约为15%：

在图3中，我更新了开关频率和占空比的示意图。

具有更新的开关频率和占空比的降压转换器功率级模拟示意图

•图3。具有更新的开关频率和占空比的降压转换器功率级模拟示意图

电容器C1的默认值为1μF。我们将在未来的文章中讨论电容器尺寸。

另外，注意我已经用电流源ILOAD替换了负载电阻。这可确保负载电流为70 mA，而不管输出电压如何。

我们的电感计算如下：

以下内容：

带电感值的降压变换器功率级模拟示意图

•图4。带电感值的降压变换器功率级模拟示意图

降压变换器功率级的模拟

图5显示了模拟我们的新型降压转换器的电感电流、负载电流和输出电压。

降压转换器输出电压、电感电流和负载电流

•图5。降压转换器输出电压（顶部红色）、电感电流（底部绿色）和负载电流（底部范围）

这些结果看起来不错，但还有相当多的细节有待检验。我们将在下一篇文章中继续讨论，并且我们还将考虑使用高于或低于我们使用公式确定的初始值的电感值的原因。