根據客戶和市場要求,電源產品多數需要滿足一定的寬輸入電壓范圍,或寬輸出電壓范圍,亦或者寬輸入輸出電壓范圍。例如,輸入電壓范圍90VAC ~ 264VAC、輸出12V – 24V。對于研發的設計者,該如何計算參數呢?對比單點輸入輸出電壓的電源設計增加了不少難點。
這里介紹三種基本拓撲BUCK、BOOST、BUCK-BOOST的寬輸入電壓固定輸出電壓的開關電源的電感參數計算,也就是在寬輸入電壓范圍內,應該選擇哪個電壓點來計算電感的參數,使得這個電感能滿足所有輸入電壓的工況。以下均基于CCM模式進行討論。
BUCK拓撲
首先,我們需要知道BUCK輸出電流Io等于電感電流的平均值IL,即Io=IL,這是因為電壓L與輸出端直接連在一起的。電感的紋波電流為:
該式可以演變為△I/toff=Uo/L,因為固定輸出Uo不變,可以知道△I/toff是一個定值,那么當輸入電壓Ui升高時,根據Uo=Ui×D,可知D變小,也就是關斷時間toff變長,所以,此時△I也變大了。而電感的峰值電流Ip=IL+△I/2,也就是Ip=Io+△I/2,因而,在輸入電壓最高時,電感的峰值電流最大,也就是正常工作下最惡劣的工況,所以BUCK拓撲的電感設計應該在最高輸入電壓點進行設計。
BUCK-BOOST拓撲
跟BUCK一樣,在MOS管Q1關斷時,加在電感L上的電壓等于Uo,所以電感的紋波電流計算公式與BUCK一樣,重寫如下:
根據BUCK部分所述,輸入越高,toff越大,△I越大,換句話講,也就是輸入越低,占空比D越大,△I越小。
但它的輸出電流Io與電感平均電流IL卻不是相等關系,而是IL=Io/(1-D),也就是當D趨近于1時,IL最大。而當輸入電壓最低時,占空比D最大,所以此時IL最大。電感峰值Ip=IL+△I/2,IL與D成正相關,△I與D成負相關,那么Ip隨D增大而增大還是減小?這取決于IL與△I關于D的變化趨勢誰大。如下圖所示(其中,電感紋波電流△I一般取電感平均電流的0.2~0.4倍,這里取0.4),顯然IL的變化趨勢更大(當然這個也可以通過數學的求導可解得),所以Ip隨D的增大而增大,也就是在輸入電壓最低時,電感峰值電流最大。所以BUCK-BOOST應該在輸入電壓最低點進行電感參數計算。
BOOST拓撲
與BUCK和BUCK-BOOST都不同,BOOST的電感電流紋波計算公式如下:
對于BOOST的電感平均電流與BUCK-BOOST一樣,這里重寫如下:
同樣,這里也需要討論IL與△I對電感峰值電流Ip的影響情況(其中,電感紋波電流△I一般取電感平均電流的0.2~0.4倍,這里去0.4)。如下圖所示,可知,IL對Ip的影響更大,所以,BOOST拓撲應該在輸入電壓最低點時進行電感參數計算。
其實對于其他的拓撲如反激、單管正激、推挽、半橋、全橋等,都是以上三種基礎拓撲的衍生拓撲,例如反激拓撲其本質就是BUCK-BOOST,它的變壓器也不是真正意義上的變壓器,一些外國書籍更喜歡稱其為扼流器,也就是電感,所以反激拓撲的“變壓器”設計也是在輸入電壓最低點進行計算。而單管正激、推挽、半橋全橋等則是BUCK拓撲的衍生拓撲,對于其輸出電感設計可參考普通BUCK來進行。
對于其他寬輸出電壓范圍、或寬輸入寬輸出電壓范圍的電感設計思路相同,大伙有興趣的可以自個推導。
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