0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

BUCK电源的电感电流纹波率r的取值

fcsde-sh 来源:张飞实战电子 作者:鲁肃老师 2021-10-22 10:01 次阅读

今天我们来讲一下BUCK电源的电感电流纹波率r的取值,可能有的朋友在计算BUCK电感量时都是以r=0.4 来取值的,也有的是按照r=2来取值的,或者其他的取值。那么纹波率的取值不同,影响到的是什么呢?为什么要引入纹波率r这个概念呢?那么本文就和大家一起深入透彻的讨论这个问题,并用实际的例子,来量化,看看纹波率r的取值依据到底是什么。希望通过本文的讲解,让工程师们有更深的理解,如果能帮助到大家,深感荣幸。

在阅读本文前,需要大家对BUCK拓扑的基本工作原理以及电感的工作模式有一定的了解。如果大家有需求,欢迎留言,会在以后的文章中给大家介绍。

我们知道,对于BUCK电源来说,最主要的核心器件就是电感。而电感有三种工作模式,分别是断续模式(DCM)、临界连续模式(BCM)、连续模式(CCM)。

我们用一副图来表示,方便大家对比。那么,纹波率r表示的是什么意思呢?用书本上的表达是:

那么它代表的意思是:电流纹波/直流分量。这里注意,一般纹波率r只在BCM和CCM模式下才会谈到。另外,需要注意的一个概念,就是交流分量是这么来定义的:

26681e2c-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png

之所以有以上这2个公式,其实是从伏秒定律推导的,而伏秒定律只在BCM和CCM模式下才是满足的,这也间接说明了为什么纹波率r值在BCM和CCM模式下才会谈到的原因。

另外,根据基本的电感方程可推导出电感量公式(ton):

那么,如果这个电感工作在BCM模式下的话,由于ΔI=2*Io,那么公式可以变为:

26dd5930-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png (2)

根据(1)式可知,ΔI=r*Io那么分母下面的2其实就是纹波率r了。所以,关于电感量的计算公式还可以写作下面这样的形式:

(3)

那么,我们在设计BUCK电感量时会必不可少的用到(3)式来计算电感量,但是,纹波率r的取值依据是什么呢?我们知道,r的取值范围:0~2(这里需要知道,r≠0,是因为BUCK电源工作原理是必须有纹波存在才能稳定工作)。然而,当r往大了取值的话,电感量L就会小,但是Ipk会大。为什么呢?这里我们举个例子:

假设一个BUCK电源的负载范围:Io=0A~2A。如果我们按照Io=2A时刚好工作在BCM模式下的话,就是下面这个波形:

如果我们按照Io=1A时刚好工作在BCM模式下的话,那么当满载时,就是下面这个波形:

通过以上2个图形,就印证了刚才说的那句话:当r往大了取的话,Ipk值就会大。那么,Ipk大的话,对于电感为了不出现饱和,磁芯要大,那么成本不就高了嘛。但是,根据27067356-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png公式可知,当r往大了取的话,电感量L就会变小,然而,电感量小,电感体积是变小的。同样的道理,当r往小了取的话,Ipk虽然小,但是L变大了。

那么问题来了,r的取值到底多大合适呢?怎么才能让电感的整体体积相对来说更优啊。

从刚才的分析可知,r的改变同时影响了2个变量:L和Ipk,那么有没有一种变量,可以让r的改变只影响到这一个变量,再通过这一个变量来取它的最优解呢?

值得开心的是,是有这个变量的,这就是电感的能量公式:

27bbe22c-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png

那么为什么会想到这个公式呢?其实它能把电感量L和电流I联系起来,用一个能量的公式来表达。由于r的改变同时影响的是L和Ipk,那么电感能量公式就可以写成这样子的:

27e7c3a6-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png (4)

这里可能有朋友会有疑问,为什么非要用电感能量公式来把L和Ipk联系来呢?其实一个电感的体积表示了它所存储能量的能力,不信你看下面这个公式:

28075d38-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png (5)

其中,μ--磁导率,A--磁芯截面积,l--磁路长度,H--磁场强度,B--磁感应强度,N--匝数,V--磁芯体积。同时可知,V=Al;B=μH;2827809a-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png(该公式的推导过程是这样子的:

28458310-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png

,而磁动势F有这样的公式:28664e1a-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png,所以,)。

通过(5)式可知,电感的能量处理能力的大小是和体积息息相关的。这就是我们要用电感能量公式来把L和Ipk联系起来,用来求出r值最优解的原因了。

好了,我们解释了为什么用电感能量公式来求纹波率r值。还要知道

把公式(3)(6)代入到(4)式中得:

28e201e0-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png (7)

当一个BUCK电源工况和f确定后,那么,上式中的前面一整项可以看做一个常量,所以上式可以看作是电感峰值能量Epk关于纹波率r 的一个函数了。

假设给出一个已知条件的话,那么这个函数的曲线如下图所示:

根据上面这个曲线图可以看出来,当r=0.3~0.5时,会有一个物理意义上的拐点。也就是说,这条曲线变化趋势拐了个弯,此时如果r再继续增大的话,电感对应的能量处理能力不会明显下降了,换句话说,当r在0.3~0.5以后,电感体积减小的不是特别明显,但还是有一点的,这个我们待会儿去谈。

r=0.3~0.5 其实就一般我们工程中常用的取值范围了,而r=0.4是最常见的。到了这里,我们其实已经把r值的取值依据讲明白了。如果某些过程还是存在疑问,请大家扫二维码,把问题提交给客服。

到了这里其实我们还遗留几个问题没有解答。正如刚才所说,既然r值在0.3~0.5以后,还有一点点电感体积上的争取空间的话,为什么一般不继续取大一点呢?其实这是因为当r值继续取大的话,Ipk值就大了,电解电容上的纹波电流就大,那么,由2945ac4a-32bb-11ec-82a8-dac502259ad0.png可知,当Ipk变大时,电解电容的发热量也就大了。也就是说,r值的选取其实是有电感体积和电容发热量相互权衡的这层关系,这也是最终完全截止了r值在0.3~0.5的范围内取值的原因了。

可能有的朋友会有疑问,为什么看到有的人在设计BUCK电感时,r值是1,或者1.5,甚至是2呢?这其实也很好解释,因为对于有的高频BUCK来说,不能用ESR大的电解电容,而是用瓷片电容。而瓷片电容不存在ESR大的因素,所以,刚才分析的纹波电流大发热量大的问题就不存在了。那么,很自然而然的,就把r值取到很大了。

责任编辑:haq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 电源
    +关注

    关注

    185

    文章

    17876

    浏览量

    252250
  • 电流
    +关注

    关注

    40

    文章

    6952

    浏览量

    132835
  • 电感
    +关注

    关注

    54

    文章

    6154

    浏览量

    102802

原文标题:深入透彻的讲解BUCK电源电感电流纹波率 r 的取值

文章出处:【微信号:fcsde-sh,微信公众号:fcsde-sh】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    相关推荐

    深入透彻的讲解BUCK电源电感电流纹波 r取值

    今天我们来讲一下BUCK电源电感电流纹波r取值
    发表于 01-17 15:28

    DCDC之Buck电路电感、电容值的选取及分析

    电流: IL=IC+Io 当输出达到稳态时:IRMS=Io(达到稳态的时候,流经负载R电流就是电感电流的直流成分) 因此: Io负载电流
    发表于 11-28 14:22

    buck电路中的滤波设计技巧

    电源设计领域,Buck电路因其高效率和广泛的应用而备受青睐。 1. 电感器的选择 电感器在Buck电路中扮演着能量存储和
    的头像 发表于 11-04 18:07 777次阅读

    电路干货!buck电源纹波电压与电感有什么关系?

    ,DC-DC转换器的低电压、大电流化正呈发展趋势,因此有必要为其提供更加稳定的电压。 图1 什么是纹波电压 和验证效率时一样,下面将就电感的变化对纹波电压产生的影响进行调查。 图2
    发表于 10-14 10:17

    buck电路电感过大会怎么样

    在开关电源设计中,Buck电路是一种常见的降压转换器,其核心元件包括开关器件、电感、电容和二极管。电感Buck电路中起着至关重要的作用,它
    的头像 发表于 08-15 09:10 2406次阅读

    用INA280采电感电流时在电感电流较小的阶段输出失真是什么原因导致的?

    我在用INA280采buck电路(浮地型Buck电感电流时,电感电流DCM,电流采样出现了下图的情况,采经过输出电容的
    发表于 08-07 07:31

    电感电流短路情况下,OPA607电压放大倍数与设计不对应是怎么回事?

    BUCK变换器短路保护采用电阻采样电感电流,经过OPA放大后送到芯片CS脚,短路测试中发现短路保护之后运放放大倍数与设计偏差较大。 电路图如下: buck开关频率280kHz,电感电流
    发表于 08-06 08:10

    贴片电感电流超过额定电流会怎样

    电子发烧友网站提供《贴片电感电流超过额定电流会怎样.docx》资料免费下载
    发表于 07-30 10:37 2次下载

    为什么BUCK芯片的电感电流在上下峰值处出现抬升和跌落?

    我的BUCK芯片为BLL2683,是一个高压大电流DC-DC直流转换稳压器,在更换更大的电感后,电感电流波形在上下两个峰值处出现了抬升和跌落。为什么会这样? 目前能确定的事情有: 1
    发表于 07-25 23:39

    pFC电感电流异常如何解决

    一、引言 功率因数校正(PFC)电路在现代电力电子设备中扮演着至关重要的角色,它通过提高设备的功率因数,减少电网中的无功功率,从而提高能源利用效率并降低谐波污染。然而,在实际应用中,PFC电感电流
    的头像 发表于 07-16 14:44 1340次阅读

    谷景0510色环电感电流提升至300mA助力客户解决电源模块应用难题

    电源模块行业种,电感电流的承载能力是衡量电感元件性能的重要指标之一。谷景技术部通过专业的技术支持以及材料匹配,成功帮助我们的客户解决了0510色环电感电流承载能力不足的问题,将
    的头像 发表于 06-24 11:08 335次阅读

    干货推荐!开关电源该如何配置电感?

    频率,D为占空比。 在一个连续模式的周期内,开关管打开,电感放电,根据基尔霍夫定律有: r也叫电流纹波比,是纹波
    发表于 06-24 10:38

    降压式开关电源电感电流分析?

    先看几个定义,开关电源中的电感电流波形是带偏置的锯齿波,电感电流峰峰值记为,电感电流交流值为,电感电流直流量为偏置值。 输入电压升高时,占空
    发表于 06-13 23:08

    Buck电路的原理及器件选型指南

    两个参数都小。另外还可以通过降低MOS管的开关频率或者将MOS管并联来降低开关损耗。 功率电感的选型 感值 :电感的感值可使用以下公式计算得出,其中r电流
    发表于 04-28 14:15

    电感电路中电流和电压的关系是什么

    电感电路中电流和电压之间存在着特殊的关系,这个关系被描述为电压和电流之间的相位差,并且可以使用一个称为电感的物理量来度量。 在纯电感电路中
    的头像 发表于 02-27 10:36 6463次阅读