为DC-DC升压转换器选择电感值

时间:2022-03-13作者:佚名

升压拓扑结构在功率电子领域非常重要,但是电感值的选择并不总是像通常假设的那样简单。在dc - dc升压转换器中,所选电感值会影响输入电流纹波、输出电容大小和瞬态响应。选择正确的电感值有助于优化转换器尺寸与成本,并确保在所需的导通模式下工作。本文讲述的是在一定范围的输入电压下,计算电感值以维持所需纹波电流和所选导通模式的方法,并介绍了一种用于计算输入电压上限和下限模式边界的数学方法,还探讨了如何使用安森美半导体的WebDesigner™在线设计工具来加速这些设计步骤。

导通模式

升压转换器的导通模式由相对于直流输入电流(IIN)的电感纹波电流峰峰值(ΔIL)的大小决定。这个比率可定义为电感纹波系数(KRF)。电感越高,纹波电流和KRF就越低。

(1) , 其中 (2)

在连续导通模式(CCM)中,正常开关周期内,瞬时电感电流不会达到零(图1)。因此,当ΔIL小于IIN的2倍或KRF <2时,CCM维持不变。MOSFET或二极管必须以CCM导通。这种模式通常适用于中等功率和高功率转换器,以最大限度地降低元件中电流的峰值和均方根值。当KRF > 2且每个开关周期内都允许电感电流衰减到零时,会出现非连续导通模式(DCM)(图2)。直到下一个开关周期开始前,电感电流保持为零,二极管和MOSFET都不导通。这一非导通时间即称为tidle。DCM可提供更低的电感值,并避免输出二极管反向恢复损耗。

图1 – CCM 运行

图2 – DCM 运行

当KRF = 2时,转换器被认为处于临界导通模式(CrCM)或边界导通模式(BCM)。在这种模式下,电感电流在周期结束时达到零,正如MOSFET会在下一周期开始时导通。对于需要一定范围输入电压(VIN)的应用,固定频率转换器通常在设计上能够在最大负载的情况下在指定VIN范围内,以所需要的单一导通模式(CCM或DCM)工作。随着负载减少,CCM转换器最终将进入DCM工作。在给定VIN下,使导通模式发生变化的负载就是临界负载(ICRIT)。在给定VIN下,引发CrCM / BCM的电感值被称为临界电感(LCRIT),通常发生于最大负载的情况下。

纹波电流与VIN

众所周知,当输入电压为输出电压(VOUT)的一半时,即占空比(D)为50%时(图3),在连续导通模式下以固定输出电压工作的DC-DC升压转换器的电感纹波电流最大值就会出现。这可以通过数学方式来表示,即设置纹波电流相对于D的导数(切线的斜率)等于零,并对D求解。简单起见,假定转换器能效为100%。

根据 (3)、 (4) 和 (5),

并通过CCM或CrCM的电感伏秒平衡 (6),

则 (7).

将导数设置为零, (8)

我们就能得出 (9).

图3 – CCM中的电感纹波电流

CCM工作

为了选择CCM升压转换器的电感值(L),需要选择最高KRF值,确保整个输入电压范围内都能够以CCM工作,并避免峰值电流受MOSFET、二极管和输出电容影响。 然后计算得出最小电感值。KRF 最高值通常选在0.3和0.6之间,但对于CCM可以高达2.0。 如前所述,当D = 0.5时,出现纹波电流ΔIL最大值。那么,多少占空比的情况下会出现KRF最大值呢? 我们可以通过派生方法来求得。

假设η = 100%, 则 (10),

然后将(2)、(6)、(7) 和 (10) 代入(1) ,得出:

(11)

(12).

对D求解,可得 (13).

D = 1这一伪解可被忽略,因为它在稳态下实际上是不可能出现的(对于升压转换器,占空比必须小于1.0)。因此,当D =⅓或VIN = ⅔VOUT时的纹波因数KRF最高,如图4所示。使用同样的方法还能得出在同一点的最大值LMIN、LCRIT和ICRIT。

图4 – 当D =⅓时CCM纹波系数KRF最高值

对于CCM工作,最小电感值(LMIN)应在最接近⅔ VOUT的实际工作输入电压(VIN(CCM))下进行计算。根据应用的具体输入电压范围,VIN(CCM)可能出现在最小VIN、最大VIN、或其间的某个位置。解方程(5)求L,并根据VIN(CCM)下的KRF重新计算,可得出

(14),其中VIN(CCM)为最接近⅔VOUT的实际工作VIN。

对于临界电感与VIN 和IOUT的变化,KRF = 2,可得出

(15).

在给定VIN 和L 值的条件下,当KRF = 2时,即出现临界负载(ICRIT):

(16)

DCM工作

如图5所示,在一定工作VIN和输出电流(IOUT)下的电感值小于LCRIT时,DCM模式工作保持不变。对于DCM转换器,可选择最短的空闲时间以确保整个输入电压范围内均为DCM工作。tidle最小值通常为开关周期的3%-5%,但可能会更长,代价是器件峰值电流升高。然后采用tidle最小值来计算最大电感值(LMAX)。 LMAX必须低于VIN范围内的最低LCRIT。对于给定的VIN,电感值等于LCRIT(tidle= 0)时引发CrCM。

图5 – LCRIT 与标准化VIN 的变化

为计算所选最小空闲时间(tidle(min))的LMAX,首先使用DCM伏秒平衡方程求出tON(max)(所允许的MOSFET导通时间最大值)与VIN的函数,其中tdis为电感放电时间。

(17),其中 (18)

可得出

(19).

平均(直流)电感电流等于转换器直流输入电流,通过重新排列(17),可得出tdis相对于tON的函数。简单起见,我们将再次假设PIN = POUT。

(20) ,其中 (21).

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