如何为 DC/DC 转换器选择表面贴装电感

了解开关模式转换器原理的基础知识将有助于设计人员为其应用选择最佳电感器。作者：Mitchell Rhine，Signal Transformer 工程总监。

传统的线性稳压器有一个主要缺点：传输晶体管上的压降乘以负载电流等于浪费的功率。首选选项通常是开关模式 DC/DC 转换器，其中功率晶体管以占空比连续切换，加上一些额外的滤波，可提供所需的输出电压。

在这种配置中，晶体管要么导通，不涉及电压降，要么关断，没有电流通过。这意味着在状态之间切换时，功耗趋于降至零，从而产生高达 95% 的效率，而线性转换器通常提供约 50% 的效率。开关转换器的另一个主要优势在于它们的拓扑结构意味着它们可以在降压（所谓的“降压”）、升压（“升压”）或反相（“降压-升压”）模式下运行。

对开关模式转换器原理的基本了解有助于选择所需的电感器。本文将只关注几个基本配置，主要是在“连续模式”下运行的非常流行的固定频率降压转换器。

图。 1：一个简单的开关 DC/DC 转换器。

一个基本的降压转换器仅由一个开关、电感器、电容器和二极管组成（图 1 ）。假设一个理想的开关和二极管，Vsw =0 和 Vd =0，简化了转换器操作的解释。在实际设计案例中，要准确确定所需的电感值 L、预期占空比 D 和工作效率，必须将 Vsw 和 Vd 视为非零值，并且必须包括它们对转换器电路的影响。

当开关导通时，二极管关断，斜坡电流直接从输入流向输出。当开关关闭时，由于电感试图保持电流流动，电感两端的电压会反转极性。这将打开“捕捉”二极管，这会导致电流下降，直到开关再次打开并重复循环。斜坡导通电流增加了电感磁芯的磁化强度，将能量储存在电感中，并在关断周期随着电流斜坡下降而返回。

图。 2：开关DC/DC转换器的斜坡波形。

在降压转换器的情况下，流经电感的电流波形如图 图所示。 2 .它包括一个平均直流分量和一个周期性上升和下降的交流分量。直流电流等于直流负载电流 Iload。在稳态条件下，周期结束时的电感电流等于周期开始时的电流。

受控的开关动作导致

Vout =D * Vin（等式 1）

其中 D 是占空比，因为 D =ton /(ton + toff)。

开关频率由 fsw =1/(ton + toff) 决定，其中 ton =D/fsw。

将导通期间电路中产生的所有压降相加，并假设 Vsw =0，结果为

Vin – Vind – Vout=0（等式 2）

如果我们现在代入 Vind =L * di/dt，其中 di 类似于电流斜坡 Iramp 的幅度，dt 是导通时间 ton，这将使我们得到

L * Iramp =(Vin – Vout) * ton（公式 3）

这具有重要意义，因为对于给定的输入到输出电压差，等式 3 的右侧是常数，这意味着所得开关频率和 ton 值相同。较大的电感值 L 等于较小的斜坡电流分量，而较小的电感值将导致较大的电流斜坡。将此推向极端，如果选择的电感非常小，则可能存在如此大的电流斜坡，以至于在低负载电流条件下，流经电感的总电流可能会在部分开关周期内降至零.这种情况称为不连续模式。

必须牢记另一个重要的考虑因素；在某些应用中可能具有吸引力的较小电感会导致较大的电感斜坡电流，这会导致输出电压上出现更高的纹波。大的 Iramp 还会增加电感中的交流磁芯损耗。作为一般准则，与最大负载电流相比，Iramp 应该很小；这决定了给定系统设计的电感值 L。

现在，让我们转向有关选择合适电感值的关键规范。它是通过电感器的最大峰值电流。在稳态运行中，它是

Imax =Iload_max+ Iramp/2（公式4）

查看等式 3，很明显 Iramp 与 Iload 无关。为了确定Imax，在确定电感L的值后，需要更详细地考虑Iramp如何随Vin值的不同而变化。

将所有的电压降加起来，并且在关断时间内 Vd =0，这导致

Vind – Vout =0（等式 5）

考虑到 Vind =L * di/dt，其中 di 是电流斜坡的幅度 Irampand dt 是关断时间 toff，导致我们

Iramp =Vout * toff/L（公式 6）

如果 Vout 是恒定的，则 Iramp 处于最大值，而 toff 也处于最大值。这发生在 Vin 处于最大值时，该条件决定了 Iramp 和最大峰值电感电流（公式 4）。

确定电感值和已知最大电流后，这最终引导我们选择合适的电感器类型。屏蔽和低 EMI 电感器是人口密集的电路板的不错选择，就像在新的物联网设计中一样。它们的优势在于它们的磁通量包含在电感器体内，从而对周围 PCB 走线和组件的辐射影响较小。

例如，Signal Transformer 的 SCRH 系列磁屏蔽部件的电感值范围为 1.0 µH 至 180 µH，饱和电流范围为 0.15 A 至 5.0 A，高度范围为 1.9 mm 至 4 mm。如果需要更大的电感值，SCxxxxC 系列可提供 10 µH 至 1 mH 的值，饱和电流为 0.045 A 至 8 A，高度为 2.92 mm 至 7.62 mm。其他系列可用于高电流应用以及非屏蔽电感器，以实现最高效率和强大的功率处理能力，包括薄型尺寸。

特色图片来源：Signal Transformer