升压型DC-DC转换器的最大输出电流

电感和升压比对最大输出电流的影响

本文的关键要点

・受电感纹波电流影响,流过低边开关的电流会大于输入电流。这导致可输出的最大电流减小。

・纹波电流的大小会随电感值而变化,电感值越大,最大输出电流就越大。

・注意:受直流叠加特性影响,电感值会随着电感电流的增加而减小,并使电感电流的峰值提高,更快达到过流限制值,使最大输出电流降低。

目录

 

第二个主题是“电感和最大输出电流”。

流过电感的电流和升压比对最大输出电流的影响

在上一个主题中,我们假设电感纹波电流是最大输入电流的30%,但电感纹波电流的值会受开关频率、电感值、输入电压和输出电压(严格地讲,还取决于是二极管整流还是同步整流)的影响。下面我们根据所使用的器件和使用条件来计算一下电感纹波电流的值。要想使计算准确,就需要考虑到器件精度、各种导通损耗、压降损耗等因素,不过这次我们会在没有器件误差、没有损耗的理想状态下进行估算。

在没有负载波动的稳定状态下,电感纹波电流在低边开关导通期间的电流增加量与高边开关导通期间的电流减少量相同,平均电流保持恒定。该电流增减量和电流变化的P-P值就是电感纹波电流值。因此,需要计算出在低边开关导通期间内电感电流增加了多少。

首先,要想确定低边开关的导通时间,需要根据开关频率Fsw计算出一个周期的时间,并根据VIN、VOUT的升压比计算出导通时间的比率,最终计算出导通时间TON

T_ON=(1÷F_SW)×(V_OUT-V_IN)÷V_OUT

电感电流变化量ΔI与时间和施加电压成正比,与电感值成反比,ΔI=T×V÷L,因此通过计算ΔI,即可求出纹波电流IRIPPLE

ΔI=I_RIPPLE=T_ON×V_IN÷L=(1÷F_SW)×(V_OUT-V_IN)÷V_OUT×V_IN÷L

当VIN、VOUT、Fsw条件恒定时,纹波电流IRIPPLE与电感值L成反比。电感值不像电阻那样能以E24之类的精度标准来选型,只能以E6程度的标准来选型,因此需要选择纹波电流接近目标值的电感器。最大开关电流减去按所选电感计算出的纹波电流IRIPPLE的1/2后得到的值,即为最大输入电流IIN。最大输出电流IOUT与转换效率η和升压比VOUT÷VIN成反比,其计算公式如下:

I_OUT=I_IN×η×V_IN÷V_OUT

但是,如果产品除了开关电流的最大值之外,还对输入电流的最大值等有电流限制规定,则在估算最大输出电流时需要包括该规定。

电感值对最大输出电流的影响

对于电感值固定为恒定值的电源产品而言,相位补偿是按该恒定值设计的,因此相关常数可能无法更改。但是,如果可用的电感值范围较大,则低边开关的电流限制大多限于峰值电流限制,因此可输出的最大输出电流值将因所选的电感值而异。例如,当在VIN=2.4V、VOUT=9.0V的条件下使用开关电流限制值为1.5A、开关频率为600kHz、推荐电感值为10μH至22μH的产品时,使用10μH电感时的最大输出电流IOUT1为:

使用22μH电感时的最大输出电流IOUT2为:

可见电感值越大,支持的输入电流越大,最大输出电流也越大。

L値の大きさに依るインダクタリップル電流の変化と最大入力電流

对于峰值电流限制功能而言,减小电感值会减小最大输出电流,因此在电流不足的情况下,可以通过增大电感值来增加电流。但是,需要注意的是,虽然最大电流会增加,但由于V÷L,电感电流增减的电流变化速度会变慢,因此如果负载电流的变化速度很快,则负载瞬态响应特性(增加或减少电感电流以跟随负载电流的变化)会变差,所以在负载波动很大的情况下存在弊端。另外,如果电感值过大,受升压型转换器特有的“右半平面零点”的不稳定因素影响,电源的负反馈控制会变得不稳定,甚至可能会引发振荡。

注意电感值的精度和直流叠加特性导致的电感值减小

前面的计算是在电感没有误差的条件下进行的,但实际上电感是有误差的,并且最大输出电流会随着误差导致的电感纹波电流的增加而减小。另外,电感器具有“直流叠加特性”,也就是当提高电流时,磁芯材料的磁饱和会导致相对磁导率降低,从而使电感值减小。在最大负载时,由于电感电流增加会使电感值变小、电感纹波电流的电流增加速度(V/L)变快(波形变陡峭),峰值很快就会达到限流值,输入电流减小至IIN3,最终导致可能无法确保预期的最大输出电流。

インダクタの直流重畳特性によるインダクタリップル電流の変化

所以不能仅根据电感器技术规格书上的额定电流值来选择电感器。必须预先确认精度+直流叠加特性,确保实际使用条件下即使在最大负载时,电感值也不会对峰值电流产生明显影响,并确认最大输出电流没有问题。

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