鲁达 DC-DC BUCK中的电感作用与选择关键
如表所示，在很实用的电感基础知识，必收藏！文章中我们提到电感的多种分类和不同用途，从用量来说，滤波电感和功率电感较多，其次是共模电感、差模电感。今天我们着重介绍DCDC的工作原理，并在其中窥见电感在电压转换中所扮演的重要作用。
功率电感主要在DC-DC转换电路中使用，本文以非绝缘型开关稳压器为例，讲一讲电感在DC-DC BUCK电路中的作用。非绝缘型开关稳压器有boost、buck、buck-boost 三种，可通过快速切换开关的ON/OFF以调节输出电压，在理想状态下可实现无损耗电压转换。
如图1，以应用最多的降压（BUCK）型为例说明开关稳压器的工作原理，为降压型开关稳压器的基本电路图。电路配置了1个功率电感器。SW1为ON时SW2为OFF，SW1为OFF时SW2为ON。SW在ON/OFF之间切换时的电路变化如图所示。
图 1 BUCK电路工作原理示意图
假设功率电感器输入侧端子的位置为A点。SW1为ON、SW2为OFF时，输入电源的电压将直接供给功率电感器，因此A点的电位与Vin相等。SW1为OFF、SW2为ON时，功率电感器与输入电源断开，并连接到GND。因此A点的电位与GND相等。SW 的通断决定了不同的电源回路。这2种状态因转换动作而重复，功率电感器的输入侧（A点）电压在Vin[V]与0[V]之间交替重复。功率电感器的输入侧被施加振幅Vin的脉冲电压。
为了向输出侧供给恒压，功率电感器和平滑电容器构成了LC低通滤波器电路。输入侧施加的脉冲电压经过LC电路的平滑化处理后输出。
1.开关管SW开通时，二极管D反向偏置而截止，二极管电流ID=0，输入电压经过电感给负载RL供电，同时电感和电容储能，电感电流IL逐渐增大，如图1 ton时电流流向所示；
2.开关管SW关断时，开关管电流IT=0，电感由于自身的自感电动势，通过二极管D续流，继续给负载RL供电，电感电流IL逐渐减小，如图1 toff时电流流向所示。工作过程中，开关管以很高的频率（一般为几十KHz到MHz的量级）不断地重复开通和关断。
输入Vin与Vout的关系即与SW开关时间比例相关。输出电压越高占空比也越高，反之亦然。开关稳压器可通过更改转换的占空比D＝Ton／（Ton＋Toff），控制各种电压值后进行输出。可以认为通过开关控制能对输出电压进行控制。但在选择功率电感器之前，必须了解功率电感器的规格将对效率和噪声产生何种影响。为此需要对电感器的电流进行说明。
如上所述，功率电感器可对脉冲电压进行平滑化处理，此外还有一个重要作用，它取决于电感器的自感特性。SW1为ON时输入侧供给的电流为Iout，SW1变为OFF后，输入电源立刻断开，从而无法供给Iout。功率电感器可以解决这个问题。电感器具有自感特性，会沿着阻碍电流变化的方向产生感应电动势。因此，即使电感器上施加的电压消失，也可以确保继续产生电流。SW1为ON时，输入电源通电，电感器产生电流。此时，电流随时间增加而上升，积蓄的能量也随之增加。SW1为OFF时，输入侧电压变为0[V]，根据电感器的特性，电流不立即消失，而随时间增加而逐渐减少。也可认为SW1为ON时积蓄的能量在OFF时释放。
功率电感器使电流连续产生，呈现三角波形。根据能量守恒，在稳态条件下，电感两端电压在一个开关周期内的平均值为0，即伏秒平衡原理。根据电感电流在一个开关周期内是否连续，有三种工作模式，分别是CCM连续电流模式，BCM临界电流模式和DCM不连续电流模式，如图2所示。其中，CCM模式纹波低。DCM模式纹波最大。
图 2 CCM DCM BCM 工作模式波形图
01、CCM连续电流模式
根据伏秒平衡原理，CCM模式在稳态情况下，开通周期D*T内，电感电压为（Vin-Vout）；关断周期（1-D）*T内，电感电压为Vout，前后两者乘积相等，即：（Vin-Vout）DT=Vout（1-D）T，其中，D为占空比，T为开关周期，Vin为输入电压，Vout为输出电压，可以得到：Vout/Vin=D。由此可见CCM模式下传递函数等于占空比，且和负载电流无关。
CCM模式下的各波形如图3所示，从中可知电感电流不会为0。在开关管SW导通期间，开关管电流IT从某个不为0的值开始上升，直到SW关断时达到最大值。根据公式U=L*dI/dt可得，电流变化率dI/dt=U/L，因此SW导通期间内的电流变化率为（Vin-Vout）/L，在此期间二极管电流ID为0；在开关管SW关断期间，二极管电流ID开始下降，直到SW重新导通时达到最小值，同理可得电流变化率为Vout/L，在此期间开关管电流为0。在整个开关导通和关断的周期内，开关管电流IT和二极管电流ID组合起来就是电感的电流IL。
图 3 CCM 模式下各种电流波形
在开关管SW导通期间，SW点的电压等于输入电压Vin；在开关管SW关断期间为0（忽略二极管和开关管的压降）。开关管SW导通期间，电感左端为输入电压Vin，电感右端为输出电压Vout，因此电感两端电压为（Vin-Vout）；在开关管SW关断期间，电感左端电压为0，右端为输出电压Vout，电感两端电压为（-Vout）。
实际示波器测量SW引脚的电压波形，在开关管闭合和断开时，都有一个很大的尖峰，对应的电流波形也会有类似的情况，而且尖峰处展开会伴随有明显的振荡现象，这是由于二极管或者同步MOS管的寄生电容，以及电路的寄生电感共同造成，寄生电感不能瞬变的电流对电容进行充电造成电压尖峰和电流尖峰，而振荡是由于电感电容LC谐振造成的。因此，一般会在二极管或者同步管两端并联一个RC吸收电路来解决这个问题。
02、DCM不连续电流模式
图 4 DCM 模式下各电流波形
随着负载电流不断下降，电感将进入DCM模式，此时传递函数、电流和电压波形将发生很大变化，该模式下的输出电流纹波也比CCM模式大。因此要想维持电感在CCM模式下，有最小负载电流值的要求。稳态情况下，根据伏秒平衡原理有：（Vin-Vout）D1T=VoutD2T，得：Vout/Vin=D1/(D1+D2)。
开关管导通，二极管截止的时间长度为D1T；开关管截止，二极管导通的时间长度为D2T；开关管和二极管都截止的时间长长度为（1-D1-D2）*T，D2与电路参数有关。DCM模式下的各波形如图4所示，从图中可知电感电流在某段时间内为0，此时负载电流由电容负责提供。
与CCM相似，DCM模式下电感电压存在振荡现象，振荡时间长短与电阻阻尼有关。下面分析原因。从电感电流波形可以看出，当电流下降到0时，续流二极管截止，此时电感左端开路。理论上，电感没有电流通过时，电感左右两端电压应该相等，即电感左端电压也应该等于Vout。但实际上由于续流二极管两端存在寄生电容，还有电阻的存在，因此相当于和恒压源Vout一起形成了RLC串联阻尼谐振。为何CCM模式不会产生振荡，因为电感电流不会下降到0，一直维持固定的电流方向，而LC谐振时充放电电流方向需要反复变化，该条件无法满足，因此不会发生LC谐振；从另一个角度理解本质原因是，电流连续时，电流通过二极管本身，二极管两端的电容被短路无法参与LC振荡。因此，理论上同步BUCK应该不会产生该现象，因为二极管替换成了MOS管，MOS管是可以反向导通的，电容同样被短路，这就是强迫续流模式。设计时电感偏小，因此振荡较强。振荡波形的时间长度随电感值的增大可以在某种程度上相应减小。负载电流越小，电感越小，就越容易进入DCM工作模式。
虽然Buck电路在DCM模式下也保持了输出电压恒定不变，但是电路状态和CCM模式相比却不同。在CCM模式下，输出电压Vout=Vin*D，与负载电流无关，即使负载发生变化，占空比也不会改变。在DCM模式下，根据小信号模型可以得到传递函数为，R为负载。根据该公式可以看出，开关管的占空比D将随着负载电流的减小而减小。
我们以CCM模式来讲讲电感电流的变化。
Vin、Vout是决定电感器电压大小和占空比的参数。改变Vout后，电压波形随之变化。改变其他参数后，频率发生变化，但电压大小和占空比不变。电压变动后，电流波形随之变化。如果Vin、Vout设为较大值，则时间变化后电流变化量也呈增大趋势，纹波电流⊿I变大。电感或频率变动时电压不变，但纹波电流会受到影响。电感增大会抑制电流变化，因此纹波电流将变小。频率增加会使1个循环的时间变短，因此纹波电流将变小。Iout变动时，三角波电流的波形不变，但电流平均值会随Iout的大小而变化。总之，在DC-DC电路中应用电感，每个拓扑都是会达到动态平衡状态，也就是电感的在周期内的电流增量等于电流减量△I_ON=△I_OFF。
图 5 电感在周期内的电流变化
交流分量电流：I_AC=△I/2 这里的△I也就是电感在充电，放电过程中的电流增减量，也就是图中电流的最高点与最低点的差值，交流分量电流也就是△I的一半，电感在电流不断变化的过程中产生感生电压。
直流分量电流：I_DC也就是平均电感电流，也是图5中的I_L该电流值与负载电流I_O的关系，降压电路I_DC=I_O。
峰值电流：I_pk电感的峰值电流也就是直流分量与交流分量的叠加值。一般为对于BUCK来讲：增加输入电压电感的直流分量并不会发生改变，因为负载没有发生变化（I_DC=I_O）。增加输入电压电感的交流分量△I变大（Voff /t ,t不变）。增加输入电压电感的峰值电流等于直流分量与交流分量的和，那峰值电流也会增大。
因此，在BUCK电路中，由于考虑到峰值电流，要从极限电压入手来进行设计选择合适的电感。电感太大或太小可能会改变buck/boost电路的工作模式：电感过小则导致输出纹波大，电感过大则影响动态响应。所以，选择BUCK电路中的电感有两步：
1、 计算感值；
2、 计算电流；计算最大电流也就是峰值电流，按照前文计算较为繁琐，一般按照如下计算：
综合以上两点选择合适的电感。
该内容是小编转载网络，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】主要以代理：铝电解电容、薄膜电容、MOSFET、压敏电阻、保险丝等国产知名品牌元器件。