8. 更近一步,電流紋波系數(shù) r1 該選擇0.2、0.3還是0.4,為什么呢?
在上述第5小節(jié)中(紋波電流 ΔIL 在電路正常工作中是恒定的還是變化的?),我們基于I(電流)值的“關(guān)鍵條件”,得出的結(jié)論是:
在電路設(shè)計之初,BUCK電路功率電感選型時,電流紋波系數(shù) r 需要在 [0, 2] 區(qū)間取值,是為了保證設(shè)計完成的電路在大多數(shù)負(fù)載電流條件下都工作在CCM模式下。
在上述第6小節(jié)中(BUCK電路功率電感選型時,電流紋波系數(shù) r 需要在 [0, 2] 之間取值,為什么?),我們基于不同電流紋波系數(shù) r1 下DCM和CCM兩個模式占比不同的對比,得出的結(jié)論是:
為了使BUCK電路能夠在更多的負(fù)載電流范圍內(nèi)都工作在CCM模式下,多數(shù)資料中推薦的電流紋波系數(shù) r1 的取值區(qū)間都是 [0.3, 0.5] 。
那么,有些資料或BUCK芯片規(guī)格書中給出的更進(jìn)一步的準(zhǔn)則是,對于輸出端是低ESR電容(如MLCC)的設(shè)計,選擇電流紋波系數(shù)r1為0.3或0.4較為合適;對于輸出端是較高ESR電容(如鋁電解電容、鉭電解電容)的設(shè)計,選擇電流紋波系數(shù)r1為0.2較為合適。
這又是為什么呢?為什么選擇電流紋波系數(shù)r,與功率電感選型有關(guān),還與輸出電容的類型或ESR參數(shù)有關(guān)呢?
參考前述公式(0.4)( ?I_L = r × I_OUT )可知,電感紋波電流理論值是電流紋波系數(shù)與負(fù)載電流的乘積。
參考《開關(guān)電源寶典 降壓電路(BUCK)的原理與應(yīng)用》“3.2.4.5 輸出紋波電壓”章節(jié)的公式
?V_(COUT,ESR) = ?I_L × ESR_COUT
(3.175)
或
?V_COUT = ?I_L × [ ESR_COUT + 1 / ( 8 × C_OUT × F_SW ) ]
(3.196)
可知,ESR紋波電壓分量是電感紋波電流與ESR的乘積。
因此,在電路設(shè)計之初,相對于選擇較大的電流紋波系數(shù),如果選擇相對較小的電流紋波系數(shù),就能夠獲得相對較小的紋波電流 ?I_L ,這樣有利于減小輸出紋波電壓值,有利于減小輸入電容、輸出電容、開關(guān)管和功率電感上的功率損耗(也就意味著有利于提升BUCK電路的轉(zhuǎn)換效率),參考圖 0.1。
既然選擇相對較小的電流紋波系數(shù)有利于減小輸出紋波電壓值,那么為什么不推薦小于0.2的電流紋波系數(shù)呢?
如圖 0.7所示,同時參考公式(0.3)( L_(BUCK,MIN) = ( VIN,MAX - VOUT ) × VOUT / ( ?I_L × FSW × VIN,MAX ) ),這是因為BUCK電路中紋波電流大小與功率電感值成反比關(guān)系,更小的紋波電流就需要更大的電感量,進(jìn)而也對應(yīng)著更大的電感元件尺寸。
因此綜合來看,電流紋波系數(shù) r1 的取值遵循的總體原則就是所謂的“轉(zhuǎn)換效率與元件尺寸的權(quán)衡取舍”。
9. 總結(jié)
此文,從電流紋波系數(shù) r 的定義開始,
① 解釋說明了“什么時候需要用到電流紋波系數(shù) r ”,除了需要用于功率電感選型外,還會影響RMS電流和功率損耗。
② 解釋說明了,雖然在電路設(shè)計之初,理論上選擇的電流紋波系數(shù) r1 是恒定的常數(shù),但是電路在實際不同的負(fù)載電流條件下,對應(yīng)的實際電流紋波系數(shù)為 r2 是在 [0.3, 2] 這個區(qū)間內(nèi)變化的,與負(fù)載電流的大小成反比關(guān)系。
③ 解釋說明了,BUCK電路功率電感選型時,電流紋波系數(shù) r 需要在 [0,2] 之間取值的原因,即是為了保證設(shè)計完成的電路在大多數(shù)負(fù)載電流條件下都工作在CCM模式下。而且,在不同電流紋波系數(shù) r1 下DCM和CCM兩個模式的占比不同,雖然理論上的電流紋波系數(shù) r1 可以在 [0, 2] 區(qū)間取值,但是更多時候,為了使BUCK電路能夠在更多的負(fù)載電流范圍內(nèi)都工作在CCM模式下,包括《精通開關(guān)電源設(shè)計》在內(nèi)的多數(shù)資料中推薦的電流紋波系數(shù) r1 的取值區(qū)間都是 [0.3, 0.5] 。
④ 有些資料中給出的,對于輸出端是低ESR電容(如MLCC)的設(shè)計,選擇電流紋波系數(shù)r1為0.3或0.4較為合適;對于輸出端是較高ESR電容(如鋁電解電容、鉭電解電容)的設(shè)計,選擇電流紋波系數(shù)r1為0.2較為合適。是因為相對較小的電流紋波系數(shù),就能夠獲得相對較小的紋波電流 ?I_L ,這樣有利于減小輸出紋波電壓值。
⑤ 如圖 0.2所示,且參考公式(0.5)可知,在其他參數(shù)不變的情況下,電流紋波系數(shù) r 與電感值成反比關(guān)系。如果在電路設(shè)計之初選擇了較小的電流紋波系數(shù),也就意味著電路中需要使用的電感值會相對較大,這也就意味著電感元件的體積也會相對較大。
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什么是電流紋波系數(shù) r ?什么時候需要用到電流紋波系數(shù) r ?
電流紋波系數(shù) r 在電路正常工作中是恒定的還是變化的?
BUCK電路功率電感選型時,電流紋波系數(shù) r 需要在 [0, 2] 之間取值,為什么?
電流紋波系數(shù) r 在 [0, 2] 區(qū)間取值是否有最優(yōu)值呢?
電流紋波系數(shù) r1 該選擇0.2、0.3還是0.4,為什么呢?
推薦關(guān)注“電源先生”