選擇合適的電感是開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。本文將幫助您理解電感值和電路性能之間的關(guān)系。

降壓轉(zhuǎn)換器（buck converter），也稱為降壓轉(zhuǎn)換器(step-down converter)，是一種開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器（voltage regulator），可以有效地將較高的直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流輸出電壓。我們將使用 LTspice 來(lái)研究開(kāi)關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器的電氣行為。本文將開(kāi)始探討與電路電感相關(guān)的設(shè)計(jì)任務(wù)和權(quán)衡。

圖 1 中顯示的 LTspice 原理圖將使我們能夠仿真降壓轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)。要成為一個(gè)完整的轉(zhuǎn)換器，我們需要添加一個(gè)反饋控制回路來(lái)調(diào)節(jié)電壓。

降壓轉(zhuǎn)換器電感公式

來(lái)自德州儀器的應(yīng)用筆記提供了以下方程式來(lái)計(jì)算電感大小：

公式種各項(xiàng)含義如下：

VOUT：是輸出電壓。電壓可以比輸出高或者低。

VIN：同樣地，我們通常期望開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器能夠容忍一定范圍的輸入電壓，所以如果您的 VIN 不是固定的，您可以選擇范圍中間的某個(gè)值。

fS（開(kāi)關(guān)頻率）：在計(jì)算電感值之前，您必須考慮開(kāi)關(guān)頻率。200 kHz 到 2 MHz 之間的某個(gè)值是一個(gè)合理的起點(diǎn)。

ΔIL：這表示電感電流紋波，即開(kāi)關(guān)元件的通斷動(dòng)作引起的電感電流上下變化，如圖 2 所示。

為了響應(yīng)開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)/關(guān)動(dòng)作，降壓轉(zhuǎn)換器中的電感電流上下波動(dòng)，超出和低于負(fù)載電流（即電感電流的平均值）。這些偏差的大小用電感電流紋波（ΔIL）來(lái)表示。

如果我們將電流紋波（CR/ current ripple）表示為預(yù)期負(fù)載電流的百分比，建議的CR規(guī)范為30％。這意味著最大電感電流比預(yù)期負(fù)載電流高15％，最小電感電流比預(yù)期負(fù)載電流低15％。

你可能會(huì)看到“最大負(fù)載電流（maximum load current）”或“滿負(fù)載電流（full load current）”這樣的術(shù)語(yǔ)，而不是“預(yù)期負(fù)載電流”。在設(shè)定ΔIL目標(biāo)時(shí)，我們不會(huì)考慮異常高的瞬態(tài)電流。

計(jì)算降壓型穩(wěn)壓電路的電感值

讓我們通過(guò)一個(gè)具體的例子來(lái)說(shuō)明如何計(jì)算電感。我們將在LTspice 電路中更改各種參數(shù)，以便我們真正做一些新的事情。

假設(shè)我們的目標(biāo)是接受一個(gè)相當(dāng)高的系統(tǒng)電壓，并生成適用于低功率混合信號(hào)嵌入式系統(tǒng)的電源軌。我們假設(shè)我們的名義輸入電壓為24 V，期望的輸出電壓為3.3 V，預(yù)期負(fù)載電流為70 mA。

對(duì)于這種類(lèi)型的應(yīng)用，首選開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，因?yàn)槿绱舜蟮膲翰顣?huì)導(dǎo)致線性穩(wěn)壓器過(guò)熱。

因?yàn)槲覀儗橐恍?a href="http://www.www27dydycom.cn/analog/" target="_blank">模擬電路供電，因此，我們想減少輸出電壓的紋波。此外，我們將選擇更高的開(kāi)關(guān)頻率-比如說(shuō)1.5 MHz-因?yàn)楦叩拈_(kāi)關(guān)頻率有助于減少輸出紋波。

我們還需要選擇一個(gè)初始占空比。為此，我們可以使用電路在指定的輸入和輸出電壓下所需的最大占空比，并計(jì)算最大占空比如下：

假設(shè)效率為90％，所以我們的最大工作周期約為15％：

在圖3中，更新了帶有開(kāi)關(guān)頻率和占空比的示意圖。

我正在使用1μF作為電容C1的默認(rèn)值。

另外，請(qǐng)注意我已經(jīng)用電流源 ILOAD 替換了負(fù)載電阻。這確保了負(fù)載電流無(wú)論輸出電壓如何都將保持為70mA。

我們這樣計(jì)算電感：

這是更新后的原理圖：

Buck穩(wěn)壓器功率級(jí)仿真

圖5顯示了我們的新降壓轉(zhuǎn)換器的電感電流、負(fù)載電流和輸出電壓：

審核編輯：劉清