5.2 輸出電感

   在開關(guān)電源功率級(jí)中，電感的作用是儲(chǔ)存能量。 由于電流流動(dòng)，能量存儲(chǔ)在它們的磁場(chǎng)中。因此，定性地，電感器的功能通常是試圖保持恒定電流或有時(shí)限制電流的變化率。

   通常選擇降壓功率級(jí)的輸出電感值以限制流過其中的峰峰值紋波電流。 在此過程中，確定了功率級(jí)的操作模式，連續(xù)或不連續(xù)。 電感紋波電流與施加的電壓和施加電壓的時(shí)間成正比，與其電感成反比。 這在前面已經(jīng)詳細(xì)解釋過。

   許多設(shè)計(jì)人員更喜歡自己設(shè)計(jì)電感器，但該主題超出了本報(bào)告的范圍。 然而，下面討論了選擇合適電感器的必要考慮因素。

   除了電感之外，選擇電感時(shí)要考慮的其他重要因素是其最大直流或峰值電流和最大工作頻率。 在其直流電流額定值范圍內(nèi)使用電感器對(duì)于確保它不會(huì)過熱或飽和很重要。 在低于其最大額定頻率的情況下操作電感器可確保不超過最大磁芯損耗，從而導(dǎo)致過熱或飽和。

   磁性元件制造商提供各種適用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的現(xiàn)成電感器，其中一些是可表面貼裝的。 有多種電感可供選擇； 最受歡迎的磁芯材料是鐵氧體和鐵粉。 線軸或棒芯電感器容易獲得且價(jià)格低廉，但在使用它們時(shí)必須小心，因?yàn)樗鼈儽绕渌螤罡菀滓鹪肼晢栴}。 如果體積足夠大，定制設(shè)計(jì)也是可行的。

   由于電感的直流電阻，流過電感的電流會(huì)導(dǎo)致功耗； 功耗很容易計(jì)算。 由于施加在電感器上的交流電壓引起的磁通擺動(dòng)，電感器的磁芯也會(huì)消耗功率，但制造商的數(shù)據(jù)表中很少直接提供此信息。 有時(shí)，電感器的最大工作頻率和/或施加的伏秒額定值可為設(shè)計(jì)人員提供有關(guān)磁芯損耗的一些指導(dǎo)。 功耗會(huì)導(dǎo)致電感溫度升高。溫度過高會(huì)導(dǎo)致繞組絕緣性能下降，還會(huì)導(dǎo)致磁芯損耗增加。 應(yīng)注意確保不超過所有電感器的最大額定值。

電感器的損耗由下式給出：

其中，RCu 是繞組電阻。

5.3 開關(guān)管

   在開關(guān)電源功率級(jí)中，電源開關(guān)的功能是控制能量從輸入電源到輸出電壓的流動(dòng)。 在降壓功率級(jí)中，電源開關(guān)（圖 1 中的 Q1）在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)將輸入連接到輸出濾波器，在開關(guān)關(guān)斷時(shí)斷開。電源開關(guān)必須在導(dǎo)通和輸出電感中傳導(dǎo)電流 關(guān)閉時(shí)阻止全輸入電壓。 此外，電源開關(guān)必須快速?gòu)囊环N狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)，以避免在開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生過多的功耗。

   本文中考慮的電源開關(guān)類型是功率 MOSFET。 其他功率器件也可用，但在大多數(shù)情況下，就成本和性能（考慮驅(qū)動(dòng)電路時(shí)）而言，MOSFET 是最佳選擇。可用的兩種類型的 MOSFET 是 n 溝道和 p 溝道。 P 溝道 MOSFET 廣泛用于降壓功率級(jí)，因?yàn)轵?qū)動(dòng)?xùn)艠O比驅(qū)動(dòng) n 溝道 MOSFET 所需的柵極更簡(jiǎn)單。

電源開關(guān)消耗的功率由下式給出：

其中，

tr 和 tf 是 MOSFET 導(dǎo)通和關(guān)斷開關(guān)時(shí)間

QGate 是 MOSFET 柵源電容

除了選擇 p 溝道或 n 溝道之外，在選擇合適的 MOSFET 時(shí)要考慮的其他參數(shù)是最大漏源擊穿電壓 V(BR)DSS 和最大漏電流 ID(Max)。

   所選 MOSFET 的 V(BR)DSS 額定值應(yīng)大于最大輸入電壓，并應(yīng)為瞬變和尖峰增加一些裕量。 所選 MOSFET 還應(yīng)具有至少兩倍于最大功率級(jí)輸出電流的 ID(Max) 額定值。 然而，很多時(shí)候這并沒有足夠的裕度，應(yīng)該計(jì)算 MOSFET 結(jié)溫以確保不會(huì)超過它。 結(jié)溫可以估算如下：

其中，

TA 是環(huán)境溫度或散熱器溫度

RΘJA 是從 MOSFET 芯片到環(huán)境空氣或散熱器的熱阻。

5.4 續(xù)流二極管

   當(dāng)電源開關(guān)關(guān)閉時(shí)，捕捉整流器導(dǎo)通，并為電感電流提供路徑。 選擇整流器的重要標(biāo)準(zhǔn)包括：快速開關(guān)、擊穿電壓、額定電流、低正向壓降以最大限度地減少功耗，以及適當(dāng)?shù)姆庋b。 除非應(yīng)用證明同步整流器的費(fèi)用和復(fù)雜性是合理的，低電壓輸出的最佳解決方案通常是肖特基整流器。 擊穿電壓必須大于最大輸入電壓，并應(yīng)為瞬變和尖峰增加一些裕度。 額定電流應(yīng)至少為最大功率級(jí)輸出電流的兩倍（通常額定電流將遠(yuǎn)高于輸出電流，因?yàn)楣β屎徒Y(jié)溫限制決定了器件的選擇）。

   處于導(dǎo)通狀態(tài)的二極管兩端的壓降是造成二極管損耗的主要原因。 二極管消耗的功率可以計(jì)算為二極管導(dǎo)通時(shí)間的正向電壓和輸出負(fù)載電流的乘積。 與導(dǎo)通損耗相比，從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換到非導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)發(fā)生的開關(guān)損耗非常小，通常被忽略。

續(xù)流二極管消耗的功率由下式給出：

其中 VD 是二極管的正向壓降。

結(jié)溫可以估算如下：

6 總結(jié)

   本應(yīng)用報(bào)告描述并分析了降壓功率級(jí)的操作。 檢查了兩種操作模式，連續(xù)傳導(dǎo)模式和不連續(xù)傳導(dǎo)模式。 穩(wěn)態(tài)和小信號(hào)是對(duì)降壓功率級(jí)進(jìn)行的兩種分析。 同步降壓功率級(jí)和正向轉(zhuǎn)換器功率級(jí)作為基本降壓功率級(jí)的變體提出，并列出了一些其他可能的變體。

穩(wěn)態(tài)分析的主要結(jié)果總結(jié)如下。

CCM 的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

簡(jiǎn)化為：

DCM 的電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系為：

其中 K 定義為：

DCM電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系可以簡(jiǎn)化為：

小信號(hào)分析的主要結(jié)果總結(jié)如下。在 CCM 中運(yùn)行的降壓功率級(jí)的小信號(hào)占空比到輸出傳遞函數(shù)由下式給出：

在 DCM 中運(yùn)行的降壓功率級(jí)的小信號(hào)占空比到輸出傳遞函數(shù)由下式給出：

其中，