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电源电路的基本元器件之三 电感

电源电路的基本部件(1)电阻

电源电路的基本件(2)电容

现代高频开关电源电路中常用的磁性元件包括输出级直流滤波电感、谐振电感、输入级共模滤波电感、差模滤波电感、高频开关变压器、驱动变压器电流互感器等磁性元件。这些磁元件与电路元件相结合,形成开关电源的电路。为简化分析,应用安培环路定律和电磁感应定律,将磁性元件的电磁关系简化为电路关系:自感、互感和变压器。

电感是闭合电路的一种属性,是一种物理量。当电流通过线圈时,磁场感应在线圈中形成,感应磁场产生感应电流来抵抗通过线圈的电流。它描述了由于线圈电流的变化而在线圈或另一个线圈中引起感应电势效应的电路参数。称。提供电感的设备称为电感。

导体的一种性质是用导体中感应到的电势或电压与产生该电压的电流变化率之比来衡量的。稳定的电流产生稳定的磁场,不断变化的电流(交流)或上升和下降的直流产生变化的磁场,变化的磁场反过来使磁场中的导体感应到电势。感应电势的大小与电流的变化率成正比。比例因数称为电感,用符号L表示,单位为亨利(H)。

电感是闭合电路的一种属性,即当闭合电路的电流发生变化时,电势会抵抗电流的变化。这种电感称为自感(self-inductance),是闭合回路自己本身的属性。假设一个闭合回路的电流改变,由于感应作用而产生电动势于另外一个闭合回路,这种电感称为互感(mutual inductance)。

当线圈中的电流通过时,线圈周围会产生磁场。当线圈中的电流发生变化时,周围的磁场也会发生相应的变化。这种变化的磁场可以使线圈本身产生感应电势(感应电势)(电势用于表示有源元件理想电源的端电压),即感应。

当两个电感线圈相互靠近时,一个电感线圈的磁场变化会影响另一个电感线圈,即互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈的耦合程度。使用此原理制成的元件称为互感器。

开关电源设计的一个关键要素是找到一种方法来存储能量,并在开关管关闭时向负载提供存储能量,以保持连续的电流。除了负载电流需求很小外,电感都是AC/DC用于维持电流连续性的转换过程中必不可少的元件。

现在大多数电感器都可以从许多供应商那里购买,电源设计师仍然需要基本的磁性材料知识。电感中的能量存储在磁场中,由导体上线圈(与磁芯耦合)通过一定的电流产生。磁场随着电流的增加而建立,然后在磁场消失时继续流动。

顾名思义,自感现象身的电磁感应现象。其详细定义是:当电路中导体的电流发生变化时,其周围的磁场发生变化,即电流通过电路本身周围区域的磁通量也发生变化,因此在导体中产生感应电势,总是阻碍导体中原始电流的变化,称为。由自感应产生的电势称为自感电势。

如图所示,考虑一个闭合电路,其中电流为I。

根据毕奥-萨伐尔定律(恒定电流元刺激磁场的基本规律。提议者是毕奥和萨伐尔。),这个电流在任何空间产生的磁感应强度B和I成正比,推理得磁通量φL也与电路中的电流I成正比,即φL∝I。

如果回路中有N匝,并且通过每个匝线圈的磁通量φLN匝线圈中的自感磁链基本相同ΨL=NφL,自感磁链ΨL也与电流I成正比,即ΨL∝I。

为了显示每个线圈产生自感磁链的能力,线圈的自感磁链与电流的比值称为线圈(或电路)的自感系数(或自感量),称为自感,并使用符号L”表示,L=ΨL/I=NφL/I。

自感系数L是一个比例系数,当线圈中的电流为单位时,它通过线圈的磁链。在国际单位中,自感系数是亨利(H),1H=1Wb/A。就像电感一样,豪亨在实践中经常被使用,因为亨利的单位很大。(mH)或微亨(μH),他们的关系是1H=103mH=106μH。

理解自我感觉并不难。在没有互感的情况下,自我感觉实际上是电感。与电阻和电容器类似,自我感觉是线圈本身电磁性质的物理量。它仅由线圈的形状、大小、匝数和周围磁介质的分布决定。在没有其他铁磁性的情况下,它与线圈中的电流无关,就像导线的电阻与导体两端的电压和流过导体的电流无关一样。

自感现象也必须伴随着感应电势的产生。这种感应电势是自感电势。从法拉第电磁感应定律可以看出,线圈中的自感电势是e=-ΔΨ/Δt=-LΔI/Δt。

电感元件是开关电源输出端的电感元件LC滤波电路中的L在降压转换中,电感的一端连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。

对于Buck就电路而言,在上MOSFET导通时,电感会通过MOSFET连接到输入电压。MOSFET导通的时候,电感连接到GND。

由于使用Buck电感接地可以通过两种方式实现:通过二极管接地或通过MOSFET接地。如果是前一种方式,转换器称为异步。后一种方式称为同步。

在状态1过程中,电感的一端连接到输入电压,另一端连接到输出电压。对于降压转换器,输入电压必须高于输出电压,因此在电感上形成正压降。

在状态2过程中,连接到输入电压的原始电感一端被连接到地面。对于降压转换器,输出电压必须是正端,因此在电感上形成负压降。

电感电压计算公式:V=L(dI/dt)

因此,当电感电压为正时(状态1)时,电感电流会增加;当电感电压为负(状态2)时,电感电流会减小。

给电感施加脉冲电压时,电压电流特性如图所示:

在Buck如下图所示:

从上图可以看出,流过电感的最大电流是DC峰峰电流的一半加开关。上图也称为纹波电流。根据上述公式,我们可以计算峰值电流:其中,ton是状态1的时间,T是开关周期,DC状态1占空比。

Rs感应电阻抗加电感应绕线电阻。Vf是肖特基二极管的正压降。R是Rs加MOSFET导通电阻,R=Rs Rm。

通过计算出的电感峰值电流,我们知道它的电感会随着电感电流的增加而衰减。这是由磁芯材料的物理特性决定的。电感衰减是非常重要的:如果电感衰减过大,转换器将不会正常工作。当电感电流大到电感故障时,电流称为饱和电流。这也是电感的基本参数。

转换电路中的功率电感会有一个饱和曲线,值得注意。要理解这个概念,可以观察实际测量LvsDC电流曲线:

当电流增加到一定程度时,电感会急剧下降,这就是饱和特性。如果电流再次增加,电感就会失效。

有了这种饱和的特性,我们就可以知道为什么所有的转换器都规定了DC输出电流下的电感值变化范围(△L≤为什么会有20%或30%的电感规格?Isat这个参数。由于纹波电流的变化不会严重影响电感。由于会影响输出电压的纹波,所有应用都希望纹波电流尽可能小。这就是为什么人们总是关心它DC在规格书中,输出电流下的电感衰减会忽略纹波电流下的电感。

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