DC2DC, 开关电源L,C 计算

#1, L calculation, about L,C calcuation theory

电感大小计算原理(自己感悟,不一定准确):

DC2DC, 开关电源L,C 计算_第1张图片

 DC2DC, 开关电源L,C 计算_第2张图片

L *  I_delta  = Ton * (Vin-Vout) ,

L* I_d / t_d = Vin - Vout;

 * L 为开关电源的电容值;

 * I_d为MOS接通电源期间,电流变化量

 * Vin - Vout,表示电感两端的电压

等式右边为电感在MOS接通电源期间电感值 * 电流变化量 = 电感两端的电压差

DC-DC升压和降压电路电感参数选择详解

DC2DC, 开关电源L,C 计算_第3张图片

DC2DC, 开关电源L,C 计算_第4张图片

某型号的DC-DC集成电路输入电压范围是4.7-16V,现在有个电路用它来把12V转为3.3V,最大输出电流是2A。如果开关频率是500KHZ,那么电感的推荐值是多大?

解:

(1)buck电路在VIN=12V时设计电感

(2)占空比:D=VO/ VIN=3.3/12=0.275

(3)L=VO×(1-D)/ rf I=3.3*(1- 0.275)/(0.4*500*103*2)=5.98μH

(4)IPK=(1+r/2)×IO=(1+0.4/2)*2=2.4A

(5)需要5.98μH 饱和电流2.4A附近的电感

#2, 输入电容计算

输入电容计算公式原理是, Cin * Vripple  = Iout * Vout * T。也就是说一个开关周期内,输入电容变化电压能够提供足够的电量给负载。

        * Cin, 为输入电容

        * Vripple, 为输入电容上的电压变化量

        * Iout, 为输出电流, Vout 为输出电压

        * T为开关频率对应的工作周期

 

#3, 输出电容计算DC2DC, 开关电源L,C 计算_第5张图片

#4, 另外一种计算方法

 

 

电感值计算公式:

Lmin=(Vin-Vout)*Vout/(△I*f*Vin)---同步BUCK,异步需要加入二极管的电压

步骤:

(1)确认输出电流Iout

(2)确认电感值

Lmin=(Vin-Vout)*Vout/(△I*f*Vin)

一般来说 △I(上图的Ipp)取20%-30%的Iout(最大输出电流),f为DCDC开关频率

(3)根据Lmin选取L,一般略取大一点

(4)通过上面的公式计算△I,Imax

Imax=Iout+1/2 △I,饱和电流要大于Imax

(5)确认电感的饱和电流要大于Imax

温升电流要大于Iout

确认输出电流

以上公式网上颇多,如果只写到这里,那么本文也没什么价值。主要是有一个问题,上述的Iout到底取多少呢?是DCDC芯片的最大输出电流能力,还是实际工作过程中真正使用的最大电流呢?

笔者认为应是DCDC芯片的最大输出电流能力,比如2A的DCDC芯片,那么这里Iout取2A。

理由如下:假设实际要用到2A电流,与芯片能力是一样的,那么不管取芯片电流能力还是实际使用电流,按照公式算得电感值是相同的,用这个电感可以设计出输出2A的DCDC电路。这时如果用这个电路接入500mA的负载,即实际输出电流是500mA,难道就不能用了,显然是可以的。

由公式知道,L与输出电流成反比,如果按照实际电流计算,在接小负载时,比如200mA,那么算得的L值是2A时的10倍,电感值大,体积就大,这是我们不希望的。

只不过如果按照芯片能力2A算得的电感,这时如果负载比2A要小,DCDC电路会比较容易进入断续模式(DCM),即电感电流不连续。

DC2DC, 开关电源L,C 计算_第6张图片

另外值得一提的是,如果按照实际输出电流来算电感值,电路当然也是可以工作的,只不过如果电感太大的话,可能会影响输出的动态响应。

注意:电感值小的话,输入输出滤波电容容值就要大一些,电感值越小,电感电流峰峰值就越大,这个波动电流是需要电容进行充放电来完成的。输出电压纹波同等的情况下,充放电电流变大了,自然电容也会大一些。

电感选型时电流参数

Imax=Iout+1/2 △I

本来按照这个公式,电感的饱和电流要大于Imax,电感的温升电流要大于Iout。Iout取芯片最大输出能力电流,然后实际选型留70%-80%的余量,这样设计电路功能是没有问题的。

但有时可能有如下场景:DCDC芯片A是公司最常用的,芯片能力是3A,有个电路需要用到DCDC,实际最大电流需求是1A。按照上述公式来选,可能电感电流需要选到5A左右,但是实际工作中,可能Imax也就2A,那么能不能选个3A的电感呢?毕竟电流下,电感便宜,体积也小。

这是就需要权衡一下了,选用3A的电感,功能应该是没问题的。但有些异常的情况,比如输出短路,可能会导致无法启动短路保护造成故障。因为一般DCDC芯片有短路保护,是在电流超过一定值的时候芯片会进入保护,3A的DC-DC,短路保护电流值一般是4-5A,如果电感最大工作电流过小,可能会造成电感在烧坏前还没有启动过流保护。

所以,如果可以的话,还是按照Imax=Iout+1/2△I这个公式,Iout取DCDC芯片的最大输出能力来算。

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