如何选择同步整流型降压转换器的电感器（上）

本系列文章将以转换器 IC 评估板的参考电路为主题，说明选择各种分立元件时的重要特性。在讲解过程中，通过使用 LTspice 改变元器件或元器件本身的常数，并使用仿真波形和计算值检查电路的变化，解释特性与电路之间的关系。在之前《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法（上）》《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法（下）》中，我们介绍了如何选择同步整流器型降压转换器电路所需的输入/输出电容器，同时通过仿真确认电容器特性的影响。

《如何在同步整流变换电路中选择电感器》将分为上、下两篇，解释如何选择同步整流型降压转换器电路所需的电感器，同时使用 LTspice 仿真确认电感器特性的影响。本文将介绍电感器在电源电路中的作用和电感值：L。在下篇，我们将对“额定电流 Isat 、Itemp”、“直流电阻 Rdc”、“自谐振频率 SRF”和“电感器的种类”进行说明。

电感器在电源电路中的作用

电感器是电源电路的元件之一，与电阻器和电容器一起发挥着重要作用。如下图 (图1) 所示，在 DC/DC 转换器中使用电感器时，从电源 IC 侧供电的时间 (t1) 和不供电的时间 (t2) 交替重复。从 IC 提供电流的时间是向负载侧提供电流，同时在电感器中存储磁能。当它不是从 IC 侧供电时，存储在电感器中的磁能向负载侧提供电流。

图1 电源电路

要点

作为电流源，利用电感器的特性向负载提供电流 (施加电流时，电感器会努力保持该状态)。

平滑电源 IC 的方波输出，并将其转换为直流电。

电感值：L

当流经电感器的电流发生变化时，会产生感应电动势。电动势的大小可以用以下方程表示：

V＝Ldi/dt

在电源关系中，经常使用该方程的变体 Δi/Δt = V/L。换句话说，当电压 (V) 施加到电感器时，电流变化 (Δi/Δt) 与电感值 (L) 成反比。L 值是影响电感器纹波电流和负载响应特性非常重要的参数。随着流过电感器的电流增加，磁性材料发生磁饱和，L 值减小，这称为“直流叠加特性”。如下表 (表1) 中显示的 L 值是直流叠加电流为 0A 时的值。

一般来说，L 值越高，纹波电流 (ΔIL) 越小，噪声 (纹波电压) 越小。此外，由于峰值电流较小，电流不易超过电源 IC 的过流保护功能的阈值，这使得过流保护功能难以运行，可以提高最大输出电流。但是由于斜坡电流速度较慢，因此每单位时间的电流增加量减少，导致瞬态响应变差。如果 L 值很小，则相反，如下表所示：

表1 L 值的影响

根据电源 IC 的规格，从以下公式中可以获得适当的 L 值：

其中，Vin：输入电压；Vout：输出电压；fsw：开关频率；Iout：负载电流；r：电流纹波比 (适当的数值为 0.3~0.4)。电流纹波比 r 由下式得出：

ΔIL 是电感纹波电流，它由以下等式表示：

从这个方程中可以看出，纹波电流与 L 的值成反比。但是，由于电源 IC 的数据手册中描述了适当的 L 值，因此建议参考制造商推荐的参考电路进行选择。

一、确认电感电流

首先，通过仿真确认 L 值对电感电流的影响。仿真电路如下图 (图2) 所示。在此电路配置中，原本 2.2μH 是 L1 的适当值，但为了明确差异，我们将比较以下两个差异极大的值。电感器 L1 的值为 4.7μH 和 1.0μH，比较电感电流。

图2 L 值对电感电流影响的仿真电路

仿真结果如下图 (图3) 所示：

图3 L 值对电感电流影响的仿真结果

4.7μH 时的纹波电流 (ΔIL) 约为 0.32A，1.0μH 时的纹波电流约为 1.50A。由此可见，L 值与纹波电流 (ΔIL) 之间的关系成反比。

二、确认输出电压状态

接下来更改 L 值以检查输出电压的状态。仿真电路如下图 (图4) 所示。电路配置与图 2 相同，但进行比较的是输出电压。同样，将电感 L1 的值在 4.7μH 和 1.0μH 时进行比较。

图4 L 值对输出电压影响的仿真电路

仿真结果如下图 (图5) 所示： 

图5 L 值对输出电压影响的仿真结果

4.7μH 时的纹波电压约为 3.5mV，1.0μH 时的纹波电压约为 19.8mV，由此可以确认，电感电流越大，输出电压的纹波电压越高。如果无法更改电感值，则必须增加电容器的电容以降低纹波电压。

三、确认瞬态响应状态

现在更改 L 值并检查瞬态响应状态。仿真负载波动电流仿真的条件设置为：在 0.1us 内，从 0.5A 增加到 1.5A，1ms 内电流为 1.5A，在 0.1us 内电流从 1.5A 减小到 0.5A。仿真电路如下图 (图6) 所示。基本电路结构配置与图 2、图 4 相同，但这里连接了一个电流源作为负载来承载负载电流。同样，将输出电压与电感 L1 值为 4.7μH 和 1.0μH 进行比较。

图6 L 值对瞬态响应影响的仿真电路

仿真结果如下图 (图7) 所示：

图7 L 值对瞬态响应影响的仿真结果

如上表 (表1) 斜坡电流速度列中所述，大电感将导致瞬态响应不佳 (响应速度慢)。如果比较负载电流快速波动期间 4.7μH 和 1.0μH 的输出电压，可以看出 4.7μH 的波动更大。由此可以看出，电感值会影响瞬态响应期间的输出电压状态。

四、确认负载电流增加的状态

接下来让我们通过仿真来看看当负载电流为 2.8A (大于前面提到的 1.5A) 时会发生什么现象。仿真电路如图 8 所示。使用 Load2 作为负载，在一定时间内将电流从 1A 增加到 2.8A。同样，将电感 L1 值为 4.7μH 与 1.0μH 时的输出电压进行比较。

图8 高负载电流模拟电路

在仿真之前，作为初步知识，将对电源集成电路输出电流增大时的过电流保护 (OCP：Over Current Protection) 功能进行说明。过电流保护功能是由于输出短路等事故导致输出电流异常大时，停止电源 IC 的输出的功能。这可以防止电源 IC 的特性劣化、故障运行和因电流过大而造成的损坏。检测过电流和停止输出的方法因产品而异。

在这个仿真中，由于负载电流增加，可能会激活电源 IC 的过电流保护功能 (该 IC 为频率衰减型：通过降低振荡频率、减小最小导通占空比来限制输出电流的方式)。有关过电流保护功能的详细信息，请参阅每个产品的说明/手册等。

电感 L1 = 4.7μH 时的仿真结果

负载电流立即增加后，负载电流变化如此之快，以至于无法跟踪 IC 输出电压的补偿速度，因此电压在负载电流迅速增加后立即下降，但抑制了电感峰值电流的变化，并且没有超过电源 IC 的过电流保护功能的阈值。因此，过电流保护功能未激活，正常运行继续。

图9 电感 L1 = 4.7μH 时的仿真结果

电感 L1 = 1.0μH 时的仿真结果

如果电感的 L 值较小，纹波电流会增加，因此如果负载电流迅速增加，电感的峰值电流也会增加，电源 IC 的过电流保护功能将被激活，从而导致输出电压降低。

图10 电感 L1 = 1.0μH 时的仿真结果

要点

L 值与电感的纹波电流 (ΔIL) 之间的关系成反比。

如果电感电流大，会影响输出电压的纹波电压。

电感电流的大小会影响瞬态响应期间的输出电压状态。

当电感的 L 值较小时，纹波电流增加，因此当负载电流增加时，电感峰值电流也增加，电源 IC 的过流保护功能被激活，导致低占空比间歇状态和输出电压降低。

总结

本文介绍了电感器在电源电路中的作用和电感值：L。