为什么较小的负载在降压稳压器中需要较大的电感器?


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MC34063 应用笔记》列出了用于计算最小电感器尺寸的公式,如下所示:

大号一世ñ=V一世ñ-Vs一种Ť-VØüŤ一世pķsw一世ŤCHŤØñ

但这意味着随着I pk(开关)(例如,最大开关电流)减小,最小电感器尺寸会增大。这由交互式计算器(例如this)支持,它们显示出相同的效果。

为什么会这样,这是否意味着调节器仅在峰值负载下运行才可以按设计工作,因此如果我想处理较小的负载,则需要增加电感器尺寸?

Answers:


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一个更理论的解释:

流过SMPS电感器的电流就像一个三角形。该三角形的平均电流等于您的负载。峰峰值由各种输入和输出电压,开关频率,占空比和电感器确定。

降压转换器 降压转换器的波形

第一个图显示了降压转换器。第二个显示降压转换器的波形。它显示了开关S,电感两端的电压以及通过电感的电流。当开关闭合时,电感两端的电压为Vin-Vout。当开关断开时,电感两端的电压为-Vout。在该理想状态下假设二极管并且因此具有零电压降。降压转换器的规则是Vin> Vout,因此您有一个正电压“使”电感器充电,而有一个负电压“使”电感器放电。电流变化率取决于该电压和电感。如果要稳定的输出,则上斜坡应与下斜坡一样高。否则,您将获得下降或上升的平均值。有一个平衡。在数学上,这可以归结为:

降压转换器的公式

公式的第一项描述上升,第二项描述下降。如您所见,开关频率和占空比已简化为t_on和t_off。占空比仅取决于输出电压与输入电压之比。占空比不会随着负载的变化而改变。

仅当您更改输入/输出电压,电感值或开关频率时,上坡和下坡“速度”的水平才会改变。增大开关频率将降低上升和下降斜率,但并非总是可以增大开关频率(也许您已经在最大程度地工作)。输入/输出电压将保持恒定,这就是您要处理的应用程序。如果增加电感器,则通过电感器的电流变化将下降。那是您唯一可用的工具。

为什么这是个问题?好吧,在我已经显示的波形中,转换器运行良好。流经电感的最小电流不会达到零。如果平均电流下降太多,以致电感确实达到零,会发生什么?

转换器将需要求助于不连续模式。并非所有的转换器都能做到这一点。有时这需要转换器跳过周期。如果转换器在最短的时间内断开开关,则会传输一定量的能量。这被存储在电容器中,但是消耗得不够快。这将影响输出电压,从而使转换器不稳定。如果您跳过周期,则转换器基本上会等到输出电压降到足够低,然后再需要另一个周期。

较高值的电感器将意味着最小电流将接近您的平均电流,从而可能避免不连续操作。这也暗示了为什么要通过数据表计算最小电感器。您始终可以使用更大的电感器,但是较小的电感器可能会在低负载下引起问题。但是,如果SMPS还设计为在某些情况下提供高功率,则电感器可能会过于庞大和昂贵。

能够切换到不连续模式的转换器在此方面几乎没有任何麻烦,而且您不必经过此过程。MC34063是一个相当古老且通用的芯片,因此有点棘手。

如果您无法安装更大的电感器,请自己增加最小负载。


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MC34063数据手册没有明确说明是否处理不连续模式,但应用笔记在其说明中对其进行了暗示。如果是这样的话,听起来我应该没问题,尽管在较低负载下输出纹波可能会增加。
尼克·约翰逊

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想想反面。当施加相同的电压时,较大的电感器会较慢地建立电流。因此,如果需要大量电流,则必须使用较小的电感器来更快地建立电流,或者使开关导通时间更长来建立更大的电流。

对于较小的输出电流,您不一定需要较大的电感器。但是,保持开关导通的合理时间有一个限制,因此在每个开关周期中,电感器中都会有一些最小的电流累积。最小电流将其倾倒在输出时会导致输出上的最小电压增加。因此,为大电流设计的开关电源将具有比具有更严格的最大规格的开关电源更大的输出纹波电压,其他所有条件都相同。

如果输出纹波不是大问题,则可以使用不连续模式和按需脉冲控制方案,并获得所需的平均电流。大多数SMPS芯片设计为连续模式,因为它们使用高频来减小物理电感器的尺寸。它们不会涉及所有的设计折衷,并且会对您希望输出特性是什么做出一些假设。这通常是低纹波和快速瞬态响应。考虑到这些因素,在某些有限的电流范围内,特性将为“良好”。通过选择恰好适合最大电流情况的参数,您可以在较低电流水平下获得良好的性能。


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那么,额定电流为100mV的稳压器在1A电流下会在较低负载下引起更大的波纹吗?如果我选择的电感大于最小值怎么办?您的文章暗​​示这不是一个好主意,但应用笔记肯定将电感表示为下限,而不是上限。
尼克·约翰逊

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@尼克:根据设计,1A开关在10 mA时可能会有更多纹波。或者,如果仅额定为100 mA,则在10 mA时纹波可能较小。有很多折衷和控制方案。使用罐装切换器芯片,其中许多都是为您量身定制的,而无需进行详细说明。每个内置开关的部件都有一个较低的电感极限。这是因为会有一些最小的接通时间,这需要一些最小的电感以不超过最大的开关电流。
奥林·拉斯罗普

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谢谢。我主要是想验证我的假设,即:1)我可以根据最大电流(和该电流的电压纹波)来指定稳压器,并期望将调节保持在合理的范围内,例如三分之一2)为了方便起见,我可以选择一个大于特定最大电流的最小电感的电感,而不会影响设计。如果我正确理解了您的答案,那么这两种说法都是正确的吗?
尼克·约翰逊

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@Nick:可能,但是您不知道任何特定切换器芯片的设计都需要进行权衡。只有数据表才能确定零件的有效范围。
奥林·拉斯罗普

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较轻的负载需要更大的电感才能保持连续导通模式(CCM)。

您参考的应用笔记方程式给出了一个电感Lmin,该电感使转换器处于CCM和不连续导通模式(DCM)之间的边界。如果您在此计算中使用最大负载电流,则生成的转换器将以小于最大负载的任何值降落到DCM中,在该处其动力学将发生变化。(直流调节将保持良好状态。)而是将电感计算基于预期的最小负载,因此转换器在整个负载范围内均处于CCM状态。


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我和您使用这款芯片的情况相似。根据我的理解(并重申上面所说的内容),您想要设置平均电流,以使通过电感器的峰峰值电流纹波始终大于0安培。如果使用平均电流,电压和开关状态查看图表,则要确保i_min永远不会达到0。要实现这一点,请减小电流纹波,这也将使平均电流也下降。...接近0 。

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