硬件设计电源系列文章-DCDC转换器电感和电容的选择

文章目录

概要

整体架构流程

技术名词解释

技术细节

1、计算必要的电感值

2、计算电感的最大电流

3. 输出电容的选定

4.输入电容的选定

5.Cbypass去耦电容

小结

概要

提示：这里可以添加技术概要

例如：

本文将深入分享在电源设计中一些设计规则。

整体架构流程

提示：这里可以添加技术整体架构

除了电源芯片的选型，电感和电容也是设计中不可或缺的一部分。如下，就是一个经验的电源外围器件选型案例。

某DCDC电源芯片设计用于给MCU供电，控制单板上其他芯片的上电顺序。其输入电压Vin为12V，输出电压Vout设置为3.3V，最大输出电流为1A，纹波电流比 r=0.3， DCDC电源芯片的开关频率为1MHz，该选用多大的电感？

技术名词解释

提示：这里可以添加技术名词解释

1.电感：

电感（电感线圈）是用绝缘导线（例如漆包线、纱包线等）绕制而成的电磁感应元件，也是电子电路中常用的元器件之一。电感是用漆包线、纱包线或塑皮线等在绝缘骨架或磁心、铁心上绕制成的一组串联的同轴线匝，它在电路中用字母“L”表示，主要作用是对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。

2.电容：

电容，电容量的简称，是电子设备中大量使用的电子元件之一，广泛应用于隔直、耦合、旁路、滤波、调谐回路、能量转换、控制电路等方面。

技术细节

提示：这里可以添加技术细节

1、计算必要的电感值

公式推导理解： 1）由电感的电压公式U=Ld_i⁄d_t，可知L=Ud_t⁄d_i； 2）开关导通时，电感上的电压降为U=(V_IN−V_OUT)； 3）开关导通时的占空比ρ=V_OUT⁄V_IN； 4）开关导通时间dt=ρ×d_t_sw=ρ×1⁄f_sw； 5）电感上的电流变化率d_i=r×I_out 6) 将步骤2)3)4)5)代入1）,可以推出公式

2、计算电感的最大电流（输出电流+1/2纹波电流）

I_peak=I_out+r×I_out/2

I_out+(V_IN−V_OUT)×V_OUT/2×V_IN×f_SW×L

Conclusion：根据已计算的电感值和电感的最大电流选择近似的电感值且饱和电流在最大电流以上的电感。

电流流向：

3. 输出电容的选定

考虑因素 1）额定电压； 2）额定纹波电流； 3）ESR

输出电容器上的纹波电流有效值：

I_CO=1/2√3×(V_IN−V_OUT)×V_OUT/×V_IN×f_SW×L

输出电容器上的纹波电压值为纹波电流在电容值、电容ESR及电容ESL的电压合成：

∆V_CO=∆I_L×(ESR+j∗2πf_SW∗ESL+1/j∗2πf_SW∗Co)

从上式可以看出，减小输出电容器的ESR和ESL，或者增加输出电容值和开关频率均可以降低输出纹波。

4.输入电容的选定

考虑因素 1）额定电压； 2）额定纹波电流及纹波发热特性； 3）使用陶瓷电容器时，温度特性和DC偏置特性

输入电容器上的纹波电流有效值

I_CIN=√V_out/V_in[I_OUT^2(1−V_OUT/V_IN)+1/12∆I_L^2]

输入电容器上的纹波电压

∆V_IN=I_OUT/4∗f_SW∗C_IN+I_OUT∗ESR

可以看出，减小输出电容器的ESR，或者增加输出电容值和开关频率均可以降低输入纹波

5.Cbypass去耦电容

Q1开启瞬间，剧烈的变化电流主要由Cbypass供给，其次由Cin供给缓和变化的电流由Vin供给

小结

提示：这里可以添加总结

例如：

本节主要对DCDC转换器的外围电容电感选型做了分享，主要从计算必要的电感值，计算电感的最大电流，输出电容的选定，输入电容的选定，Cbypass去耦电容。