如何正確選擇電感電流紋波

簡介

開關穩壓器將輸入電壓轉換為更高或更低的輸出電壓。為此，需要使用電感來暫時儲存電能。電感的尺寸取決于開關穩壓器的開關頻率和流經電路的預期電流。究竟應如何正確選擇電感值？可以使用包含電感電流紋波的常用公式來確定電感值。在大部分開關穩壓器的數據手冊，以及大部分應用筆記和其他說明文本中，電感電流紋波建議在標稱負載工作的30%。這意味著在標稱負載電流下，電感電流波峰和電感電流波谷分別比平均電流高15%和低15%。為何選擇30%的電感電流紋波或電流紋波比(CR)可以說是不錯的折衷方案？

圖1.使用降壓轉換器時相應的電感電流紋波。

對于降壓轉換器，例如圖1所示的轉換器，公式1適用：

此公式基于電流紋波比CR計算降壓轉換器所需的電感值L。該比值一般指定為0.3，或30%峰峰紋波。在該公式中，D表示占空比，T表示周期時間，取決于各自的開關頻率。

使用不同的電感電流紋波會怎么樣？

圖2.標稱負載下，紋波電流比為30%的電感電流紋波（紅色）、小電感電流紋波（藍色）和大電感電流紋波（綠色）。

圖2中，紅色線條表示電路的電感電流紋波（電流紋波比(CR)為30%，輸出電流為3A。這是開關穩壓器電路設計中常見的折衷選擇。藍色波形對應的電感電流紋波為133%，綠色波形對應的電感電流紋波為7%。

圖3.部分負載下，紋波電流比為30%的電感電流紋波（紅色）、小電感電流紋波（藍色）和大電感電流紋波（綠色）。

圖3顯示相同的電路以部分標稱負載作為輸出電流（例如1A）運行時的情況。在高電感電流紋波下，如圖3中的藍色波形所示，電感會在每個周期完全放電。這個模式稱之為斷續導通模式(DCM)。在這種模式下，控制環路的穩定性發生變化，可能產生更高的輸出電壓紋波。

所以需要采用一定的紋波電流比，以避免出現DCM。在紋波電流比為30%時，能得到不錯的折衷結果。如果紋波電流比較低，即使在部分負載下，系統大部分時間也會在連續電流導通模式下運行。所以，通過對電路進行優化，便可在該模式下運行。

選擇的紋波電流比過高會怎么樣？

紋波電流比高于30%時，電感尺寸更小，成本更低。但是，峰值電流大幅增高，會產生大量電磁干擾(EMI)，遠高于典型電路能夠接受的水平。此外，要使用連續導通模式(CCM)，負載電流要達到更高。這還不是問題，但是在這個模式下，其工作特性會發生改變，在設計電路時，這一點必須考慮在內。

此外，相較于較低的電感電流紋波，還會導致更高的輸出電壓。

選擇的紋波電流比過低會怎么樣？

紋波電流比低于30%時，電感尺寸更大，成本更高。因為儲能設備的尺寸很大，負載瞬態響應會更低一些。例如，在快速斷開高負載電流時，電感中存儲的電能必須傳輸到某些地方。這會導致輸出電容(C_OUT)兩端的電壓升高。電感中的電能越多，輸出電壓就越高。過壓可能會損壞供電電路。

在權衡不同的電感電流紋波比的優缺點之后，我們發現，對于大部分應用，約30%左右的電流紋波比更為合用。但是，在有些情況下，也可以有所偏離，只要結果可以接受。