开关电源中输出滤波电感的计算

开关电源次级线圈上的输出电压Uo是脉冲状态

                                                                                                                                                                                   （图一）
要使脉冲方波变成可供电路使用的直流电，还需要对它进行平滑处理，常用的平滑电路由整流二极管、滤波电容、滤波电感构成。
 

                                                                                                                                                                                  （图二）

㈠. 平滑处理原理

（图二）中电感L在电路中既有储能作用，且对交流成分呈高阻抗，能阻止交流成分通过。电容C1—C4对交流信号呈低阻抗，允许交流成分通过，而对直流呈高阻抗，而阻止直流通过。

感抗： XL=2πfL

电感对高频成分呈高阻抗，感抗越大，对高频信号的电抗电压越大，阻止高频成分通过的能力越强。

容抗：XC=1/2πfC

电容对直流呈高阻抗，能阻止直流通过，对交流成分呈低阻抗，容抗越小，交流成分就越容易通过。

（图二）中LC的乘积越大对高频成分的平滑作用越好。为求得最佳电感量，可按下节进行设计计算。

㈡. 开关稳压电源输出的纹波噪声

平滑滤波后开关电源输出波形
 

                                                                                                                                                                                       （图三）
       不难看出，经过(图二)电路平滑后的直流输出中包含了一定的纹波噪声。
       
       它分两部分：

纹波：与初级输入工频频率和开关频率同步的波形即为纹波。

噪声：在纹波上的针状毛刺就是噪声。

两类波合在一起称为：纹波噪声。

㈢输出平滑处理电路中电感L的设计计算

电感L的计算有如下一些公式：

流过电感L的纹波电流△Il为输出电流Io的2%~5%,
        即：

　    △Il=（0.02~0.05）Io

　　△Il=Tonmax（Umin-Vf-Vo）/L

　　L=DTonmax（Umin-Vf-Vo）/△Il

　　Uomin=T（Vomax+Vf+VI）/D

　　D=Tonmanx/T

㈣计算实例

输出电压 Vo=5V 10%±

输出电流 Io=20A

开关频率 F=200KHz

占空比     D=0.42 

开关周期：T=1/F=1/200×103=5μs                          

最大导通时间：Ton max=TD=5×0.42=2.1μS                   

输出最大直流电压： Vo max=5×10%=5.5 V

次级线圈上的最小电压：Umin=5×（5.5+0.2+0.4）/2.1=14.5V

在一般情况下，滤波电感中通过的电流△Il的值是Io的2%~5%本例取5%

根据式②L△Il= Ton max(Umin -Vf-Vomax)/△Il=2.1(14.5-0.4-5.5)/1=18.06μH

取整L=18μH通过的电流为20A。

当Io＜1A时，可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠，套在整流管的输出端引线上，形成电感，而电流大于1A时，则应选用磁芯或磁环绕制。为减少电感直流电阻、降低损耗、减少电感发热，绕制滤波电感用的漆包线的电流密度J应按较小值。本例J=4A/mm2，即漆包线线裸线直径d=20÷4=5.0mm2

本例滤波电感导线粗，选用D=50mm的MOX磁环，每匝大约对应3μH，但因磁环性能的差异，绕制时要由测试数据来确定电感量。

注：滤波电感压降Vl=0.2 V 由设计师确定，为减小电感损耗，滤波电感上的电压降应小于0.5V，本例取0.2V