Part 01 前言
我们都知道,在BUCK电路中,电感电流不是恒定的直流,而是带有纹波的脉动电流。要想做好BUCK电源电路中电感额定电流的选型,我们需要理解以下三个有关电流的概念。
平均电流Iavg:对于连续导通模式CCM的BUCK电路,电感的平均电流等于输出负载电流。例如,如果输出电流为3A,则平均电流 ≈ 3A。
峰值电流lpeak:这是电感电流的最大值,由平均电流加上纹波电流的一半组成。纹波电流Δl可以通过公式计算:
Δl=(Vin-Vout) *D / (L*fsw),
其中Vin是输入电压,Vout是输出电压,D是占空比 (对于BUCK电路,D =Vout / Vin),L是电感值,fsw是开关频率。
峰值电流lpeak =Iavg + Δl / 2。
RMS电流(Irms):这是电感的有效电流值,反映了电流让电感发热的效应。计算公式为:
Irms=√(I_avg²+(Δl/ √12)²),RMS电流通常略高于平均电流。
上面的这些电流参数都会直接影响电感的选型。如果流过电感的电流超过额定值,电感可能饱和或过热,那么电路就会出问题。
Part 02 电感两个关键电流的选型
关于电感电流,又有下面两个概念我们需要理解:
饱和电流 Isat
饱和电流是指当电感电流达到该值时,电感值开始显著下降,通常下降到初始值的70%-90%。如果电感饱和,磁芯磁导率急剧降低,导致电感值变小,纹波电流增大,甚至引发开关器件过载。
那饱和电流该怎么选呢?依据是啥呢?Isat应大于电路中的峰值电流lpeak,并且要留出裕度。
通常推荐lsat ≥1.2 *Ipeak 到1.5 *Lpeak。这是因为实际电路中可能存在瞬态负载或输入电压波动,导致峰值电流短暂增加。
举个例子,假设一个BUCK电路,输入电压12V,输出电压5V,输出电流3A,开关频率500kHz,电感值10uH。
首先计算占空比D= 5/12 ≈0.417。纹波电流Δl=(12-5)*0.417 / (10^-6 *500000) ≈ 0.583A。则
Ipeak ≈3+0.583/2 ≈ 3.292A。
那么我们就推荐lsat至少为3.292*1.3≈ 4.28A,选择一个lsat为5A的电感就比较合适了。
同时我们还要注意饱和类型,之前的文章中我们讲过电感有软饱和和硬饱和之分。软饱和如铁氧体磁芯电感值是逐渐下降,而硬饱和如铁粉芯下降更剧烈。如果你的BUCK电源纹波比较高,推荐你优先选择软饱和电感以避免突发问题。
RMS电流 lrms
RMS电流是基于电感温升的额定值,通常定义为在环境温度下导致电感温升40°C-50°C的电流值。它反映了电感的热容量,也就是能扛多少热?超过此值会引起过热,严重点就是烧电感。
那如何选RMS电流呢?Irms应大于或等于电路中的RMS电流,以确保电感不过温。
通常推荐Irms≥1.2*Irms 到1.5*Irms,当然了,温升这玩意一定要考虑环境温度、你的PCB布局的好坏以及散热条件行不行。
还接上面的例子,Irms ≈√(3^2 +(0.583/√12)^2) ≈ 3.01A。推荐Irms至少为3.01*1.2 ≈ 3.61A。如果电路工作在高温环境中,那裕度就得留的更大点,可以选择lrms为4A以上的电感。
那怎么计算电感温升呢?
电感实际温升ΔT=(Lrms^2* Rdc) * K
其中Rdc是电感直流电阻,K是热阻系数。