电容或电感的电压_为开关电源选择合适的电感

电感器也被称为扼流圈，其特点是流过其上的电流具有很大的惯性。换句话说，由于磁通量的连续性，电感器上的电流必须是连续的，否则会产生很大的电压峰值。电感器是一个磁性元件，自然存在磁饱和问题。有些应用程序允许电感饱和，有些应用程序允许电感从一定的电流值开始饱和，有些应用程序不允许电感饱和，这需要在特定的线路中区分。

在大多数情况下，电感工作在线性区域，电感值为常数，不随端电压和电流而变化。然而，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感绕组将导致两个分布参数（或寄生参数），一个是不可避免的绕组电阻，另一个是与绕组工艺和材料相关的分布式杂散电容器。

杂散电容器在低频时影响不大，但随着频率的增加而逐渐显现。当频率高于一定值时，电感器可能成为电容器特性。如果将杂散电容器集中为电容器，则可以从电感等效电路中看到电容器特性。

在分析线路中电感的工作状态或绘制电压电流波形图时，不妨考虑以下特点：

1.当电感L中的电流I流过时，电感储存的能量为：

E=0.5×L×I2(1)

2.在开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰值)与电感两端电压的关系如下:

V=(L×di)/dt(2)

可见纹波电流的大小与电感值有关。

3.就像电容器充放电电流一样，电感器也有充放电电压过程。电容器上的电压和电流积分(安·秒)成正比，电感上的电流与电压积分(伏伏·秒)成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也会改变；正电压会增加电流线性，反电压会降低电流线性。

选择合适的电感和输出电容来获得最小的输出电压纹波，计算正确的电感值是非常重要的。

从图1可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流组成。由于交流量频率高，通过输出电容流入地面，产生相应的输出纹波电压dv=di×RESR。纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常运行。峰值一般为10mV~500mV。

图1：开关电源中的电感电流。

纹波电流的大小也会影响电感器和输出电容的大小。纹波电流一般设置为最大输出电流的10%~因此，对于降压电源，流过电感的电流峰值大于电源输出电流的5%~15%。

降压开关电源的电感选择

为降压开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流和空比。以下是降压开关电源电感值的计算。首先，假设开关频率为300kHz、输入电压范围12V±输出电流为110%A、最大纹波电流300mA。

图2：降压开关电源电路图。

最大输入电压值为13.2V，对应的空比为：

D=Vo/Vi=5/13.2=0.379(3)

其中，Vo输出电压，Vi输出电压。电感器上的电压为：

V=Vi-Vo=8.2V(4)

电感器上的电压为：

V=-Vo-Vd=-5.3V(5)

dt=D/F(6)

将公式2/3/6代入公式2得出：

升压开关电源的电感选择

对于升压开关电源的电感值计算，除空比与电感电压的关系类型发生变化外，其他过程与降压开关电源的计算方法相同。

以图3为例，假设开关频率为300kHz、输入电压范围5V±输出电流为500%mA、如果效率为80%，最大纹波电流为450mA，对应的空比为：

D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7)

图3:升压开关电源电路图。

电感器上的电压为：

V=Vi=5.5V(8)

电感器上的电压为：

V=Vo Vd-Vi=6.8V(9)

将公式6/7/8代入公式2得出：

请注意，升压电源不同于降压电源，前者的负载电流并不总是由电感电流提供的。当开关管导通时，电感电流通过开关管流入地面，负载电流由输出电容提供，因此输出电容必须有足够大的储能容量来提供此期间负载所需的电流。但在开关管关闭期间，流经电感的电流不仅提供给负载，还充电给输出电容。

一般来说，电感值较大，输出纹波较小，但电源的动态响应较差，可根据电路的具体应用要求调整电感值的选择，达到最理想的效果。

开关频率的提高可以让电感值变小，从而让电感的物理尺寸变小，节省电路板空间，因此目前的开关电源有往高频发展的趋势，以适应电子产品的体积越来越小的要求。