如何为降压转换器选择电感器

开关电源（SMPS）是那种在安静中（尽管在电气上很嘈杂）确保你最喜爱的电子设备平稳运行的设备。它们默默地在背后执行着它们的职责，然而没有它们你的电路板就无法运作。作为为功率需求大的应用设计直流-直流转换器的一部分，组件选择对于确保向负载稳定供电并且高效率至关重要。

在众多直流-直流转换器拓扑结构中，降压转换器（buck converter）因其在降低输入电压至较低水平时提供高效率的电力转换而被广泛应用。关于这些电源转换器的组件选择的一个常见问题是如何为降压转换器选择一个电感器。在降压转换器中使用电感器和其他组件的目标是限制电力损失转化为热量，同时最小化电流涟漪。

降压转换器中的电感器

以下展示了SMPS的基本降压转换器拓扑结构。在此图中，MOSFET的输出通过PWM信号驱动，该信号以用户选择的占空比开关MOSFET。当PWM信号切换时，电感和电容在提供稳定电流给负载中起着关键作用。最终，PWM信号的占空比是允许用户控制输出到负载的电压的主要功能。

电感将以与PWM信号相同的速率不断切换，因此它负责在发送到输出的电流上叠加一些轻微的纹波。电感和电容形成了一个L滤波器，基本上是一个二阶带通滤波器。假设您使用了一个足够大的低ESR电容，电容将提供低阻抗，构成纹波的高频分量将被大量移除。

如何为您的降压转换器选择电感

电感器的适当值取决于您的设计能够容忍的期望纹波电流，以及您计划用于PWM信号的占空比。下面的方程显示了输出电压作为二极管正向电压降和MOSFET上状态电压降的函数。在考虑了这些电压后，输出电压是：

我将跳过一些数学计算，直接得出重要结果。首先，电感和PWM频率与纹波电压成反比。其次，纹波还是PWM占空比的二次函数。降压转换器中的纹波电流是：

注意，PWM信号的上升时间在任一方程中都没有出现。然而，上升时间很重要，因为它在确定转换器发出的噪声和损耗方面（见下文更多详情）起着作用。重要结果可以总结如下：

• 增加占空比将减少纹波，但也会使输出电压更接近输入。
• 提高PWM频率会减少纹波，但这将增加MOSFET的散热量。然而，这里有一个需要注意的地方：使用边沿速率更快的PWM信号会减少因高PWM频率而产生的损失（再次见下文）。
• 使用更大的输入电压需要使用更大的电感器以将纹波降低到可接受的水平。通常，使用更大的电感器来减少纹波。

为什么PWM上升时间很重要

电感器负责创建并同时抑制输出电流上的纹波，尽管这可以作为设计目标在设计中设置，遵循上述指导方针。然而，有一些关于任何开关调节器的重要方面是电感器无法控制的：

• 来自开关元件的辐射EMI：晶体管的这种开关噪声可以在下游电路中引入一些噪声。
• 由于皮肤效应而导致的热损失：这是电感器的几何形状而非电感值的函数。如果电感器具有更大的横截面积和更高的热导率，热量可以以更高的速率从电感器中散发出去。
• 晶体管中的热损失：在开关和调节过程中，晶体管会散发大部分的热量。然而，使用更快的边沿速率可以抑制这种热损失，因为MOSFET在PWM振荡之间会更完全地关闭。

这些噪声源取决于PWM信号的频率和边沿速率。如果你在不改变占空比的情况下，以更高的开关频率运行降压转换器，通常会在MOSFET中损失更多的功率作为热量。使用更快边沿速率的权衡是，下游电路中诱发更多高频噪声的风险，以及通过皮肤效应损失更多的热量。在这篇文章中阅读更多关于这些点的信息。

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