如何选取 BUCK 变换器的电感和电容?
如何选取 BUCK 变换器的电感和电容?

仿真电路及电量波形
BUCK 变换器的 SIMULINK 仿真电路如图 1 所示。仿真得到的电量波形如图 2 所示。图中,从上到下分别为驱动信号、电感电流、电容电流、电容电压、电容 ESR 电压降以及输出电压波形。注意仿真电路中电容为理想电容,实际电容可近似为理想电容和等效串联电阻的串联。

图1 BUCK 变换器的 SIMULINK 仿真电路

图2 BUCK 变换器电量仿真波形
电感值计算
根据纹波电流计算电感 L 的电感值。纹波电流大多设定为额定负载电流的 20%~30% 。这里取 30% ,据此电感 L 取值为

式中, Vin 为输入电压, Vo 为输出电压, D 为占空比, Ts 为开关周期, Io 为输出电流, ΔiL 为电感电流纹波峰峰值。
电感元件选取
电感 L 的电感量计算出来后,可选取磁芯进行绕制。实际制作电感时,要注意选择磁芯规格,使磁芯损耗、磁芯饱和电流等参数满足设计要求。
东睦科达磁电有限公司是覆盖从铁粉芯到高性能铁镍磁粉芯等系列金属磁粉芯的行业领先厂商,生产适合制作 BUCK 电感的各类磁芯。图 3 为其部分产品图片。

图3 东睦科达生产的部分磁芯
(来源 www.kda.com.cn)
国内的科达嘉等公司专业生产 BUCK 变换器用的功率电感。图 4 为其部分产品图片。

图4 科达嘉的部分功率电感
(来源 www.codaca.com.cn)
亿万28各系列电源中的电感采用东睦科达的高品质磁芯自行设计绕制或选取科达嘉成品电感。
电容值计算
流经输出电容的只有电感电流的交流分量。电容的纹波电压 ΔVo ,由电容充放电引起的电压波动 ΔVc 与电容等效串联电阻产生的电压降 ΔVesr 叠加形成。

电容充放电引起的电压波动 ΔVc 可以由图 2 所示电容器电流波形在大于零的部分积分得到:

电容等效串联电阻产生的电压降 ΔVesr 为电感电流纹波和等效串联电阻的乘积。
因此有,

由公式(4),根据输出纹波电压的要求对电容 C 及其等效串联电阻进行取值。 ΔVo 通常设置为输出电压的 ±0.25% 左右。
电容元件选取
注意电容的种类繁多,应根据实际需求选择合适的类型。
如选择多层片式陶瓷电容(MLCC),因为陶瓷电容的容量一般较小,但 ESR 较小,实际电路中往往需要多只陶瓷电容并联使用,所以输出纹波主要取决于电容值的大小。日本的村田、 TDK ,国内的风华高科,生产的多层片式陶瓷电容规格很丰富,计算出电容值后可以很方便进行选型。图 5 为风华高科的工业用 MLCC 的产品图片。

图5 风华高科生产的 MLCC 产品图片
(来源 www.fhcomp.com)
如选择电解电容,输出纹波则主要取决于电容的等效串联电阻。图 2 为滤波电容为铝电解电容(电容值取为 1000uF ,等效串联电阻取 20 毫欧)的情况,从图中可以看出,输出电压纹波的波形和等效串联电阻的电压降波形非常接近,仿真结果和理论分析一致。
日本的 Nippon Chemi-Con (日本贵弥功/黑金刚)、 Nichicon (尼吉康)、 Rubycon (红宝石),国内的江海等是铝电解电容的主要生产商,市场占有率较高。图 6 为江海的电解电容产品图片。

图6 南通江海的铝电解电容产品图片
(来源 www.jianghai.com)
结论
设计 BUCK 变换器时,计算电感、电容值,以及制作或选取电路元件是必不可少的步骤,可参照上述方法进行计算和选取。HOME-亿万28「强保障平台,更省心娱乐」 (www.csmjml.com)多个系列的可编程直流电源采用 BUCK 变换器做输出级,其电感和电容据设计指标进行计算和选取。电感采用东睦科达的高品质磁粉芯设计绕制或选取科达嘉生产电感,电容采用日本贵弥功、南通江海等国内外一线品牌,使亿万28电源产品具有合适的动态性能、较小的输出电压纹波以及高的可靠性。

参考文献
[1] 安部征哉,财津俊行,上松武,数字电源基础与设计[M],罗力铭,译,北京:科学出版社,2023

申明:万分感谢原创作者的辛勤付出。本网站转载的文章均会在文中注明,若遇到版权问题请联系亿万28 处理。


