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主耦合电感器的优点和与传统非耦合电感器操作的不同之处

2019-1-17 19:33:19 4588 电感器耦合电感电感设计电感

耦合电感器通常用于多相拓扑结构，以利用相位之间磁耦合消除电流纹波。通常，当使用典型的分立电感器时，电流纹波消除仅发生在多相降压转换器的输出端。

当这些电感器磁耦合时，电流纹波消除应用于电路的所有元件：MOSFET，电感器绕组，PCB走线。1-6因此，从所有相位的切换影响每个单相，因此电流纹波的幅度减小并且在频率上相乘。降低波形的RMS可以提高功率转换器的效率，或者可以用于更小的磁性，更快的瞬态，因此输出电容更小。

耦合电感与传统电感设计

传统非耦合降压转换器中的峰峰值电流纹波可表示为公式1，其中V IN为输入电压，V O为输出电压，L为电感值，D为占空比（D = V O） / V IN用于降压转换器），并且Fs是开关频率。

（等式1）

对于D <1 / N相，具有耦合电感的降压转换器中的电流纹波变为等式2，其中ρ= Lm / Lk是耦合系数（Lm是磁化或互感; Lk是漏电感），并且Nphases是耦合阶段的数量。6这个特定的等式限于D <1 / Nphases，这在许多应用中经常足够，例如V IN = 12V至核心（0.5V至2.5V）。公式2允许用户轻松查看电路和磁性参数如何影响电流纹波消除。

（等式2）

与等式1相比，等式2中的附加乘数取决于应用条件。它由于占空比，耦合和耦合相的数量而改变。图1显示了4相降压转换器中分立和耦合210nH电感的归一化电流纹波。电流纹波通过最大电流纹波归一化：D = 0.5时分立电感中的纹波（因此，在D = 0.5时，分立电感中的归一化电流纹波为1）。12V至1.8V的典型应用涉及D = 0.15，如图中标记的那样。

图1. 4相降压转换器的归一化电流纹波：离散210nH和耦合210nH电感，具有不同的耦合系数Lm / L.

图2.四相降压转换器的归一化电流纹波：离散210nH和耦合50nH电感，具有不同的耦合系数Lm / L.

图1显示了由耦合电感引起的所有电源电路中的显着电流纹波消除。请注意，存在占空比值，其中收益显着大于约D = 0.15。耦合电感的几个图说明了耦合系数Lm / L的影响：对于Lm / L = 3-7范围内的实际耦合，以及一些理想化和非现实值Lm / L为10和100.假设初始采用分立电感的设计是合理的并且具有可接受的电流纹波，有意义的是降低耦合电感的电感值，以在目标区域D = 0.15附近获得大致相同的电流纹波。在这种情况下，50nH /相的值提供与离散210nH类似的电流纹波，如图2所示。

对于相同的峰峰值电流纹波，可以预期相同的电流波形RMS。这导致所有电路支路周围的类似导通和开关损耗，因此效率相似。然而，最大的好处是50nH电感器的瞬态性能比210nH好4倍以上。这种优势通常可以让您完全消除大的，不可靠的，昂贵的和大容量的输出电容。只有高性能陶瓷电容器，即已存在的电容器仍然存在。

请注意，对于具有快速瞬变的应用，必须始终存在陶瓷电容。这是因为只有具有低ESR和ESL的电容才能在快速负载阶段提供必要的瞬态性能。通常添加大容量电容器以解决分立电感器和相关能量存储器中的慢电流转换速率。在耦合电感快得多的情况下，仅陶瓷电容器的电容通常足以解决相关的小得多的能量存储。

耦合电感的好处并不止于此。耦合电感设计为负耦合，因此当所有相共享电流时，来自所有绕组的相互通量相互抵消。后一种情况在多相应用中是典型的，特别是对于电流模式控制。只有漏磁通将能量存储在耦合电感中，因此图2所示示例的能量存储与50nH /相而不是210nH /相相关。这意味着与分立电感器相比，耦合电感器可以基本上更小或/和具有更高的电流饱和额定值。