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DC/DC

开关稳压器的特性和评估方法

开关稳压器的评估:电感电流的测量

“开关稳压器的评估”第4项为“电感电流的测量”,说明电感电流的测量方法和评估要点。

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・关于电感

一开始要稍微偏离一下主题。在这里,将右图DC/DC转换器的输出所使用的L统一称为“电感”。近年来似乎大多称为电感,不过使用线圈或扼流线圈等称呼也不在少数。此外,也有使用电抗器的称呼,只是不太多。

尽管想说在DC/DC转换器中都是同样的东西,不过线圈是卷线物的总称,而电感据说也同义。扼流线圈是不通过高频率电流用途的线圈。只是,即使在业界似乎也没有严格的规定,而是使用熟悉的言语。据说IEC等圈际规格中常用inductor一词(详细未确认)。近年使用电感的情况或许正在逐渐增加。

那么,现在进入主题。首先,须确认电感从事什么样的工作。简单来说,电阻器不论AC或DC,总之无关频率,都会限制电流在稳定程度,而电感如果电压相同的话频率会变高致使电流难以流动,DC方面可以想成没有电阻成分。与电容器做比较的话,由于电容器不通过DC而通过AC,故也可以说反向工作。电感如电阻般工作的原理为电磁感应。此外,通过自我感应来产生电动势。此效果的大小以电感值表示。

降压型的DC/DC转换器中,上图所示的电感基本上扮演着平滑化的角色。上图电感被输出晶体管的ON/OFF方波电压输入时,流动的电流会因电感而可以梯度至电流输出成为三角波。以此方式,方波形成平滑的三角波,这是基本。

・电感电流和输出纹波电压

为了测量电感电流并判断是否适当,特以数学式来表示电感电流和输出纹波电压。(左图中,因图出处的关系而使用“线圈”一词标示。当然,同时也是电感的意思。)

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这些算式是设计DC/DC转换器时必定会出现的公式。如果能想象与各项的关系,想必评估就容易多了。

以⊿IL表示的电感电流的三角波的峰值,当电感值L变大时会变小。此外,即便开关频率变高时也会变小,以⊿VREP表示的纹波电压由⊿IL及电容器ESR支配。并以此为基础评估已测量的电感电流。

・电感电流的测量方法

电感电流使用电流探针以示波器观察波形。电流探针由于必须夹住电流路径,故必须像照片般露出夹钳用线。

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・电感电流的探讨事项

上右波形图表中,上为开关电压波形、下为电感电流的波形。此实测波形可以说接近理想,可以观察到漂亮的三角波。

这里的评估要点以刚才也出现过的右图来说明。这些其实是设计时决定电感规格的要点。也就是说,最后必须确认设计时所选择的电感实际上是否适当。

电感(线圈)的饱和电流应该选择大于IOUTMAX加⊿IL/2的值。请与实测值进行比较。

如果饱和电流的容许值不充分,则电感将会饱和,电流会急剧流动,故三角波的斜度会如二次曲线般歪斜。最糟情况有时超出预测的电流会流入开关式晶体管导致损坏。这是重要的检查点。

电感电流的评估要点

评估电感及电感电流的要点总结。

  • 常量虽然依照技术规格决定,但务必进行实测。
  • 测量时使用示波器及电流探针。
  • 确认电流波形是否适当、有无饱和。
  • 电感电流根据峰值和平均值双方进行探讨。
  • 电感的选择根据数学式的要求、IOUTMAX+⊿IL/2进行考虑。

电感的工作有时难以理解,相信势必有必会感到棘手。尽管如此,对DC/DC转换器而言却是不可或缺的部件,因此最好以实测反复进行评估等来加深理解。

关键要点:

・电感对DC/DC转换器而言是重要部件。除了评估之外,在设计上也无可避免。

・测量时使用示波器和电流探针来确认电流波形是否适当、有无饱和。

・电感电流根据峰值和平均值双方进行探讨。