参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“1.7.3 功率电感”章节内容,我们知道,功率电感具有温升电流、RMS电流、饱和电流、额定电流等电流参数。
在后续“第5章 降压电路的应用方法”的应用实例中进行功率电感选型时,需要保证所选电感的额定电流参数大于实际电路中可能的电感电流最大值,以免导致电源电路工作不稳定或可能的元器件损坏。
这里“实际电路中可能的电感电流最大值”,是指功率电感电流平均值、有效值和峰值中的最大值。
图 3.34 TPS54561DPRT规格书中应用实例的电感纹波电流、有效电流和峰值电流的计算
如图 3.34所示,其中的公式(33)就是功率电感上RMS有效电流的计算公式;那么,该公式是如何推导而来的呢?以下将介绍该公式的两种推导方法。
1. 电感电流有效值推导方法一
参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.1.1 什么是平均值和有效值?”章节,我们知道了什么是有效值计算公式(3.10)或(3.11)。
参考《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.3.4 电感的瞬时电流”章节可知,TON和TOFF两个阶段电感电流瞬时值表达式为(3.200)。
那么,对电感电流瞬时值公式的平方,在一个周期内积分,再平均,再开平方,即可得到电感电流有效值或均方值,如下所示:
对TON时间内电感电流瞬时值的平方进行积分得到:
对TOFF时间内电感电流瞬时值的平方进行积分得到:
将公式(3.209)和(3.210)代入(3.208),可得:
其中,I_OUT 是降压型开关电源电路的负载电流,∆I_L 是纹波电流实际值(也就是在确定了输入电压Vin、输出电压Vout、感值L和开关频率Fsw这四个参数后,基于公式3.2.4-23计算出来的纹波电流值)。
这就是实际电路中电感电流有效值或RMS电流的计算公式。
如果,将电感纹波电流计算公式(3.192) [ ∆I_L = ( V_OUT / V_IN ) × ( V_IN - V_OUT ) / ( L_BUCK × F_SW ) ] 代入公式(3.211),可以得到功率电感电流有效值或RMS电流的第二种计算方式,如下所示:
这里,V_IN 是输入电压典型值,因而 I_(L,RMS) 就是功率电感RMS电流典型值。
由纹波电流公式(3.193) [ ∆I_L = ( 1 - ( V_OUT / V_IN ) ) × V_OUT / ( L_BUCK × F_SW ) ] 可知,在其他参数不变的情况下,电感纹波电流 ∆I_L 与输入电压 V_IN 是成正比关系的。所以,当输入电压取最大值 V_(IN,MAX) 时,对应的电感RMS电流取得最大值,如下所示:
另外,因为在理论上电路中的纹波电流是负载电流 I_OUT 的 r 倍(如前所述,r 是电流纹波系数),即公式(3.189)( ∆I_L = r × I_OUT ),所以降压电路中理论上的电感电流有效值为
2. 电感电流有效值推导方法二
图 3.31 降压电路各元件上的瞬时电流
参考图 3.31,根据电感瞬时电流公式(3.200)容易得知,电感电流在 t=T_ON 或 t'=0 时有最大值(即峰值电流 I_(L,PK) ),表示如下:
电感电流在 t=0 或 t'=T_OFF 时有最小值(即谷值电流 I_(L,VY) ),表示如下:
将公式(3.215)和(3.216)代入如下的电感电流有效值计算公式(3.217)
可得电感电流有效值或RMS电流,如下所示:
可见,公式(3.218)与公式(3.211)是相同的。
3. 小结
由《开关电源宝典·降压电路(BUCK)的原理与应用》“3.3.5 电感的平均电流”和本节结果可见,单独对TON和TOFF阶段进行积分得到的电感平均电流或均方根电流都与占空比 D 有关,而整个TSW开关周期内的电感平均电流和均方根电流都与占空比 D 无关。
这其实容易理解,因为电感参与了TON和TOFF两个阶段(或者说整个TSW开关周期)的工作,所以可以认为电感的占空比为1,或者说电感的各项参数(例如电感上的电压、电流和功率损耗等)都与占空比 D 无关。