大家一起来，让开关电源设计变成通俗易懂 - 2

六云ocbohngfbq 2018-05-09

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本文作者：ZWC317441532

设计步骤：主要用于恒流产品

▼ 确定设计规格

▪ 输入电压范围

输出电压与输入电压不能超过芯片的最大占空比与最高频率。

▪ 输出电流

根据恒流芯片平均电流采样脚电压/电流取样电阻，确定输出电流。

▪ 输出电流的纹波率

根据恒流芯片的电流采样电压的迟滞范围而定，一般有 /-15%

▪ 工作频率

最小输出压小与最小输入电压下，工作频率不能低于芯片的最低工作频率。

▼ 实际操作步骤

▪ 确定一个工作频率，计算出导通时间。

导通时间=工作周期 * 占空比

占空比=输出电压/输出电压

▪ 电感的纹波电流

输出电流*电流采样电压的迟滞范围，如：输出电流*0.3

▪ 计算电感量

导通时加在电感两端的电压（输入电压-输出电压）*导通时间/电感的纹波电流。

* 电压=V，时间=S(秒)，电流=A，电感=H

▪ 根据电感量与电感的工作电流（输出电流电感的纹波电流/2）选择合适的功率电感。

如果没有标准的功率电感，那就只有自己设计电感： 电感的设计首要的就是选择磁芯大小，选择磁芯的方法也很多。

▪ 一种最简单的求磁芯体积公式：

Ve=5555*P/F

P-功率(W)，F-频率(KHZ), Ve-磁芯体积(mm3);

▪ 求 AP 面积公式：

PT-为视在功率（W）

Ae-磁芯截面积（cm2）

AW-窗口面积（cm2）

KO-为窗口利用系数，典型值0.4

KF-为波形系数，对方波而言 KF =4，正弦波 KF =4.44

fs-为工作频率（HZ）

Bw-磁芯工作磁通密度（T）

Kj-磁芯电流密度系数

X-磁芯结构常数。

▪ 利用磁芯的电感系数进行计算匝数：

L=N2 *AL

N=（L/ AL）^0.5

N=线圈的圈(匝)数

这里要注意电感单位换算关系为：1H=1000mH=10^6μH=10^9nH

电感计算方法很多，可以参考其他方法计算。

除了电感需要设计计算，BUCK 拓扑的输出电容也是需要计算。

根据拓扑工作原理分析可知：在开关管导通时和关断时都会向输出端提供电流。其电流的平均值等于输出电流，同时也等于电感电流的平均值。而输出电流的纹波等于电感的斜坡电流的变化值。

因此，可以通过预先设计输出的纹波电压值除以电感的斜坡电流，得到输出电容的 ESR 值，再利用典型 ESR/电容值关系式 (R*C=50～80*10^6)，得到输出电容容值。

BUCK 设计计算实例

▼ 确定设计规格

▪ 输入电压 Vin：12-30V

▪ 输出电压 Vo：5V

▪ 输出电流 Io：3A

▪ 最小电流20%

▪ 电感纹波 R=0.4

▪ 工作频率 F：100KHZ

▪ 输出电纹波 Vr：50 mV

▪ 续流二极管正向压降：0.5V

▪ 开关管导通压降：1V

▼ 实际操作步骤

▪ 占空比

D=输出电压/输入电压

D=(5 0.5)/(12-1)=5.5/11=0.5

▪ 电感纹波电流

输出电流*R=3*0.4=1.2A

▪ 电感峰值电流

IO*(1 r/2)=3*(1 0.4/2)=3.6A

▪ 电感量 L=V*T/I

V=（12-1)-5=6V

T=0.5/100KHZ=0.005（ms）

I=1.2A

L=6*0.005/1.2=25Uh

▪ 输出电容

ESR=0.05/1.2=0.041R，设 ESR/电容值关系式（R*C=50～80*10^6）为65

C=65/0.041 R=1585uf

BOOST 拓扑

首先问题：你是怎么理解 D=（VO-VIN）/VO这个公式?

个人是这样理解的：BOOST 升压变换器的开关管导通时，加在电感的电压为输入电压 VIN，电感充电储存能量。开关管关断时，加在电感的电压为输出电压与输入电压的差值 (VO-VIN)，电感放电释放能量。

电感充电和放电的伏秒数相等的原则，即：充电的伏秒数除以放电的伏秒数等于 1。

电感充电放电时电压比为 VIN/(VO-VIN)，要想 VIN*Ton = (VO-VIN)*Toff= 1，电感充电放电时间就是电压的倒数，开关管导通充电的时间等于放电电压，开关管的工作周期等于放电电压输入电压=输出电压。

因此有了公式 D=(VO-VIN)/VO。

理解了 D=(VO-VIN)/VO 的原由，一切就变得简单了，基本上运用 BUCK 降压变换器的一些方式就可以计算设计了。

开关导通时，会在电感中得到一个线性上升电流，其公式 IP=VDC*TON/L，这个公式可以扩展成 IP*L=VDC*TON=1，将前一节提到的占空比 D 计算出来，加上计划的电路工作频率，很快计算 TON，而剩下的 IP 和 L 的乘积等于 VDC*TON 的乘积就可以了。至于 IP 和 L 的乘积，只要选对 IP，自然就得到了 L。

L 电感，IP 电感的斜坡电流的峰值，VDC 输入电压，也就是加在电感两端的直流电压，TON 加电的时间。

IP 怎么选？

本节定义 IP 电感的斜坡电流的峰峰值，也就是电感纹波电流峰峰值。IP 的大小关系到电感的工作模式（连续、断续、临界工作模式）。

电感的工作模式是会随变换器输入输出参数的变化而发生改变，如：

▪ 在10%以上的负载条件下，电感工作于连续模式;

▪ 在10%以下的负载条件下，电感工作于断续模式;

▪ 在等于10%负载时，电感工作于临界模式。

因此：IP 选择要保证在正常工作负载范围内电感工作模式保持不变，这样有利于环路的控制和电路的稳定性。

通常，我们按最小负载电流选择 IP 电感纹波电流峰峰值，电感工作在连续工作模式。即 IP =最小负载电流/(1-D)*2。

IP 的大小也关系到开关元器件电流引力的大小，IP 大，则电感工作在断续工作模式，电感的峰值电流是电感平均电流的2倍。

电感不同的工作模式如下图示说明：