DC-DC变换器电感设计步骤(成品电感校验)

一.说明:
该讲解以降压拓扑为例
二.实例
降压变换器的输入电压范围为18~24V，输出电压为12V，最大负载电流为1A。

（在最大负载时）预期
电流纹波率为0.3.假设Vsw=1.5V,V D=0.5V，频率f=150kHz。

试选择一个成品电感并校验此应用。

一般电感设计步骤将从Vin开始进行。

对于降压变换器，Vinmax为最恶劣条件，而对于升压或升降压
变换器，Vinin为最小恶劣条件。

显然本例设计电感时Vin取24V
1.评估需求
对于降压拓扑，占空比D=(Vo+V D)/(Vin-Vsw-V D),本例中D=0.543
对于升压变换器，使用D=（Vo-Vin+V D）/（Vo-Vsw+V D），而对于升降压变换器，使用D=（Vo+V D）/（Vin+Vo-Vsw+开关管导通时间ton=D/f=0.5543/150000=3.62uS
开关管导通时，Von=Vin-Vsw-Vo=10.5V
Et=Von*ton=
由L*I方程L*I L=Et/r得 L*I L=38/0.3=127uH.A
降压拓扑中,IL=Io
因此L=（L*IL）/IL=127uH
r=0.3时，峰值电流Ipk=(1+r/2)*IL=1.15A
现在，选择一个有望满足要求的成品电感，它是来自 Pulse electronics公司的PO150.它的感值为
137uH，接近127μH的需求，并且它的额定连续直流电流为099A，非常接近1A的需求。

下表是PO150.
的相关数据手册。

注意，供应商提供的其他条件并不符合应用需求（但这在预料之中，成品电感完全
符合给定工况的机会能有多大呢）但是，通过全面分析，可以校验所选元件是否适用。

2.电流纹波率
由L*I方程L*I=Et/r得 r=Et/(L*I)
所选电感由供应商设计，其r值为 r=59.4/(0.99*127)=0.438
此电感在本例应用中 =38/(137*1)=0.277
此值很接近（并小于）设计指标r=0.3，因此是可以接受的。

3.峰值电流
所选成品电感的设计峰值电流为Ipk=(1+r/2)*IL=(1+0.438/2)*0.99=1.21A
在本例应用中 Ipk=(1+r/2)*IL=(1+0.277)*1=1.14A.
可以认为该应用中的峰值电流是安全的，它比所选成品电感的原始设计值小。

因此，完全
可以认为该应用中的磁通密度B的峰值也一定在所选成品电感的设计极限范围内。

但最好立即确认，
如下一节所述。

注意，迄今为止，并没有直接考虑频率的影响，因为伏秒积已经涵盖了真正需要在电感设计
中考虑的全部问题。

对电感来说，若不同应用中的电流直流分量和伏秒积相同，则电感工况在本质上
就相同。

例如，不必考虑拓扑是什么或占空比是多少，甚至不必直接考虑频率的影响（磁芯损耗除
外，因为它不仅取决于伏秒积，即电流纹波，还取决于频率）。

但是可以看出，磁芯损耗无论如何要
比铜损小得多。

因此，出于实用目的，如果电感的伏秒积（电流纹波）和直流电流的额定值与实际应用中的
伏秒积和直流电流相一致，当然最好。

但即使伏秒积和直流电流的额定值与实际应用中不一致，只要
应用中的峰值磁通密度接近或小于额定值，从避免饱和的角度讲，电感就是适用的「这是好的开面就
4.磁通密度供应商数据提供了以下信息（参见上表）
E t 100=
而△B和E之间的关系式：
△B=100*Et/(NA)
既然对于给定的电感，△B与Et成正比，可以断定所选的成品电感的设计磁通密度变化量为
△B=Et/(E t 100)*200=59.4/10.12*200=1174G
设计峰值磁通密度Bpk为
在本例应用中 Ipk=(1+r/2)*IL=(1+0.277)*1=1.14A.
△B=Et/(E t 100)*200=38/10.12*200=751G
Bpk=(r+2)/(2r)*△B=(0.277+2)/(2*0.277)*751=3087G
注意，（对于所选电感）B和l之间的比例常数为
5.铜损
电感有效值和平均值之间关系为Irms²=I L ²(1+r²/2)=0.99²(1+0.438²/12)=0.996A²
则铜损为Pcu=Irms²*DCR=0.996*387=385mW
同理在本例应用中
Irms²=1²*(1+0.277²/12)=1.006A²
铜损为Pcu=1.006*387=389mW
6.磁芯损耗
注意，供应商提供了电感的磁芯损耗方程，其中已经考虑了磁芯体积。

因此：
式中，f的单位是Hz,B的单位是G。

注意，式中B是指△B/2.因此，所选成品电感的设计磁赤损耗为该成品电感磁芯损耗为
在本例应用中
7.温升
Rth=△T/W=50/0.38=131.6℃/W
在本例中
P=P CORE +Pcu=389+2=391mW
如下一节所述。

注意，迄今为止，并没有直接考虑频率的影响，因为伏秒积已经涵盖了真正需要在电感设计中考虑的全部问题。

对电感来说，若不同应用中的电流直流分量和伏秒积相同，则电感工况在本质上就相同。

例如，不必考虑拓扑是什么或占空比是多少，甚至不必直接考虑频率的影响（磁芯损耗除外，因为它不仅取决于伏秒积，即电流纹波，还取决于频率）。

但是可以看出，磁芯损耗无论如何要比铜损小得多。

因此，出于实用目的，如果电感的伏秒积（电流纹波）和直流电流的额定值与实际应用中的伏秒积和直流电流相一致，当然最好。

但即使伏秒积和直流电流的额定值与实际应用中不一致，只要应用中的峰值磁通密度接近或小于额定值，从避免饱和的角度讲，电感就是适用的「这是好的开面就可以在特定工况下对电感进行全面的校验分析，包括温升等。

这意味着产生100G的BAc所需的伏微秒积为10.12uS,因为B AC =△B/2，所以相应的△B为200G（每10.12Vs）注意，G代表的单位是高斯。

Bpk=(r+2)/(2r)*△B=(0.438+2)/(2*0.438)*1174=3267G 由Bpk=(1+r/2)*B, r=△B/B可得Bpk=(r 可以看出，正如预期，在此应用中，峰值磁通密度在电感设计极限范围内，所以不必担心
磁芯饱和。

这也是在进行其他电感分析之前必须满足的基本先决条件
供应商已经标明电感产生380mW损耗时对应的温升为50℃，这说明磁芯的热阻Rth为
P CORE =P CORE = 一般来说，对于大多数由铁氧体制造的成品电感，磁芯损耗仅占电感总损耗（铜损加磁芯损耗）5%-10%但是，对于由铁粉芯制造的电感，磁芯损耗可能会上升到约20%30%
注意铁粉芯电感的饱和特性比铁氧体电感更“软”，能承受很大的非正常电流而不导致开关管瞬间损坏。

另一方面，铁粉芯也存在寿命问题，因为铁粉芯中用于粘合铁粒子的有机黏合剂会缓慢降解。

一定要向供应商咨询这种可能性，这么做对避免变换器过早失效很有必要
L /NA =B pk /I pk=3087/1.1
〖6.11*10〗^(−18)∗〖（1174/2）〗^2.7*〖"(250*"
〖6.11*10〗^(−18)∗〖（751/2）〗^2.7*〖"(" 1"5
温升为
△T=P*Rth=131.6*0.391=51℃
假设实际应用中能接受这个温升（取决于工作环境的最高温度），所选电感就确定可用。

至此已经证实了该电感在此应用中磁通密度不会饱和，峰值电流式安全的而且电流纹波率也可以接受这就完成了一般电感设计步骤。

Vo+V D）/（Vin+Vo-Vsw+V D）。

pk=(r+2)/(2r)*△B，和“Ipk,IDC,△I之间的关系”一样，因为磁通密度B和电流I成正比。