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第二章

DC-DC变换器设计与磁学基础

开关电源的磁性元件设计/选择除了对变换器的整体性能和体积起决定性作用外，还影响到其他想关功率器件的选额和价格。

对于离线式电源设计，除了使用电感之外，不可避免的采用一个隔离变压器。

变压器的高频效应：集肤效应好邻近效应。

我们经常以恶劣情况来选择功率器件，以保证它们能在应用中安全运行。

设计具有一定功能的开关变换器是不难的，但是要把它设计的性能良好却不是一件容易的事。

D=Vff/(Von+Voff)这个公式，对所有拓扑，占空比都是相等的。

Von代表开关导通时电感电压

Voff代表开关关断时电压

BUCK，BOOST，buck-boost的传递函数之所以不同，是因为他们的Von和Voff的表达式不同。

表达式见上表，我拿EXCEL弄得，不清楚地方大家见谅。

2.2电感电流波形的直流分量和交流纹波

V=L*di/dt可得▲I=V*▲t/L.

电感电流的纹波值▲I完全取决于伏秒数和电感量。讨论它的伏秒数和讨论它的▲I是等效的。

伏秒数有什么决定的？

取决于输入/输出电压和开关频率。

只有通过改变L，f或者D才可改变▲I，没有其他方法可以改变电感电流纹波。

Idc成为电感电流的均值，定义为纹波电流对称轴处的电流值。

Idc仅决定于传输能量--即维持相应的输入/输出电压和输出功率所需的平均能量。

改变电感L不会影响到Idc

改变频率f也不会影响到Idc

对于BOOST和BUCK-BOOST变换器，改变占空比D会影响Idc。

Idc=Io（buck）

Idc=Io/（1-D）(Boost.buck-boost)

对于buck变换器，其输出和滤波电感串联，因此滤波电感的平均电流必须等于负载电流。然而，对于BOOST和BUCK-BOOST变换器，输出与二极管串联，所以二极管的平均电流等于负载电流。

前文提到，所有二极管的电流都是脉动的。

改变BUCK电流滤波电感平均电流IDC的方法就是改变负载电流。但是，在BOOST和BUCK-Boost电路中，Idc还取决于占空比。这就导致这两种拓扑的磁性元件设计和Buck有很大的不同。

对于这三种变换器，滤波电感电流的直流分量和负载电流均成正比。

对于这三种拓扑，改变占空比D均改变电压的作用时间，进而改变伏秒数，所以改变占空比将使他们的电感中的纹波电压改变。

总结：对BOOST和buck-boost电路，改变占空比会影响Idc（书中这里貌似有点错了，他的原文是“对BOOST和BOOST-BUCK电路”）

对所有的拓扑，改变占空比都会影响电感电流纹波▲I。

增加电感值和增大开关频率都会使电感电流纹波减小。且不影响Idc

问题：怎样区别某拓扑是否为“BUCK衍生电路”？(疑问)

输出电路有LC滤波器，是这个原因么？(疑问)

2.3 交流电流，直流电流和峰值电流的确定

r称为电流纹波率，通常，不论是何种拓扑，也不论变换器的开关频率及其应用条件如何，r取0.3-0.5之间的值是比较合适的。设计变换器时首先要确定r。

磁芯损耗仅仅由电感的交流电流▲I决定，而与其直流电流Idc无关。

所有变换器中，电感峰值电流，开关峰值电流，二极管峰值电流都是相同的。

峰值电流是电感电流重要的电流量，不仅是热量和能量，还是能够瞬时破坏开关的潜在因素。

电感电流太大，磁芯容易饱和，会产生很大的电流产生。

峰值电感电流是电感电流波形中容易使磁芯饱和的电流值。

2.4 认识交流电流，直流电流和峰值电流

对于buck电流，因为在开关管导通和关断都有能量通过电感传递到输出端，因此电感的平均电流必须一直和负载电流相等。

Boost和BUCK-BOOST电路中，能量尽在开关管关断时通过二极管传递到输出端，因此，二极管的平均电流必须和负载电流相等。

2.5 “恶劣”输入电压的确定

是峰值电流达到的输入电压为恶劣输入电压。

占空比D宽相当于低输入电压。

对于BUCK电路

buck电流中滤波电感的交流电流随着输入电压的增加而增加。

峰值电流也随着输入电压的增加而增加

要在输入电压Vinmax下来设计BUCK电路

对于BUCK-BOOST

电感的直流电流随输入电压的增加而减小

要输入电压Vinmin下设计BUCK-boost电路

boost电路在下输入电压Vinmin下设计BOOST电路。

2.6 电流纹波率r

电流纹波率r,它是电感电流的交流分量与其相应的直流分量的比值。即r=▲I/IL

r的有效范围为0-2，r等于0，电感量无穷大，r=2，变换器工作在临界连续模式（BCM）

对于任何场合，r取0.3-0.5为合适的，选0.4

电感磁芯的能量处理能力与电感值和峰值电流的平方成正比

2.10 频率对电感量和电感体积的影响

电感量与频率成反比

电感的体积与变换器频率成反比

电感额定电流与频率无关。

电感量与负载电流成反比

电感的体积与负载电流成正比。

2.13 在给定应用中我们需哟考虑哪些电感电流额定值

所有电流限制回路都需要一定时间响应，比较器，运算放大器，电平转移电路，驱动电路等IC引脚驱动都有延迟

如果用内部集成开关管的IC控制器，PCB寄生电感将抑制电流的突然变化

开关管需要一定的时间来完成关断，大功率MOSFET有很大的栅极寄生电阻和寄生电感以及极间电容，需要充放电。

若把若干个MOSFET并联，在大电流场合，问题会更严重。

2.15 实际例子

以boost变换器为例，若输入电压12-15V，输出电压24V，负载电流2A，开关管频率分别为100khz，200khz，1mhz，那么在每种情况下，它适合的电感量分别是多少？各种情况的峰值电流分别是多大？能量处理的要求是什么？

首先需要考虑的是，对于此拓扑（BOOST，包括BUCK-BOOST变换器），输入电压时是其恶劣的情况，因为此时占空比，并且平均电流IL=Io/（1-D），所以设计中，完全不用考虑Vinmax。

占空比D=（Vo-Vin）/Vo=(24-12)/24=0.5

IL=Io/(1-D)=2/(1-D)=4A

假设电流纹波率为0.4，则Ipk=IL（1+r/2）=4*（1+0.4/2）=4.8A

峰值电流不收开关频率的影响，选额定值为4.8A的电感即可，不用考虑频率。但是，电感体积随频率变化而变化，因为体积是1/2*L*Ipk*Ipk，电感量随频率变化而变化。

选定r之后，对于BOOST电路有Von=Voff，因此开关频率为100KHZ时候，L=Von*D/（r*IL*f）=12*0.5/(0.4*4*100*1000)=37.5uH

当f=200Khz时，得到的结果是改值的一般，即18.75uH

当f=1MHZ时，得到的电感量为3.75uH.

因此可知，频率越高电感量越小。

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