【选型】如何为汽车DC-DC变换器选择合适的功率电感

时间： 2018-11-25 来源：TT electronics

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在汽车DC-DC转换器应用中，需要仔细挑选电感，才能同时兼顾好电气特性、成本和质量三方面。TT电子（TT Electronics）的应用程序工程师Smail Haddadi就如何计算设计所需的参数以及如何在挑选时作一个各方面的折中给出了指导。

在汽车电子产品中，大约有80种不同的电子应用，每一种都需要从电池提供的电压中获得自己的稳定供电电平，通常这可以通过体积大的、损耗大的“线性”的稳压器来实现，但有效的方法是使用“buck”或“buck-boost”开关稳压器，其效率和集成性可达90%以上，而在这种类型的开关稳压器总是需要一个电感器，在19世纪的磁学理论中，这个电感器的选择有时看起来有些难以理解。设计师们更希望有一个简单的计算公式，可以让他们实现，输入自己的性能参数，就可以得到“正确”的电感和电流数量级，这样他们就可以从一系列有确定参数规格的元器件中选择他们需要的电感。但这个计算公式并不是那么容易得多，必须做出一些假设，考虑权衡各个参数及应用环境，然后经过多次设计迭代。即使这样获得的理想结果也可能无法作为标准去指导设计。因此，如果想要获得精确的设计参数，需要重新去了解一个现成的感应器可能需要匹配什么样的工作条件。

以buck调节器(图1)为例，其中Vin是电源电压，Vout是低压处理器的电位。SW1和SW2是交替打开和关闭的两个开关。简单的传递函数方程是Vout = Vin•Ton/(Ton + Toff)， Ton是当SW1关闭时的时间，而Toff是W1打开时的。在这个传输函数方程里一眼可以看出并未体现出电感器的作用，那么它有什么作用呢? 简单地说，它需要在开启SW1时存储足够的能量，以便在关闭时输出。我们可以计算存储的能量，并将其与所需的能量进行比较，但在实际应用环境中有更多现实情况需要首先考虑。SW1和SW2的交替切换导致的电感器电流上升和下降，在固定电流源下形成一个三角形的“脉冲电流”，这个脉冲电流是存储在C1中，在SW1关闭时释放的。这个电流通过电容产生的等效串联电阻产生输出电压脉冲，当前的电容器产生的输出电压脉冲, 如果在设计时电容器及其等效电阻被尺寸和成本限定住,就可以通过这个关键参数计算出脉冲电流及电感的值。

图1：基本的降压变换器电路

通常选择在电容时是比较灵活的，所以如果ESR低，我们可以让脉冲电流高，尽管这种方法确实存在问题。比如，如果脉冲的“波谷”在一些小负载下达到零，比如SW2是一个二极管(通常情况下是这样的)，它会在部分周期内停止传导，变换器进入“非连续传导”模式。在这种模式下，其传递函数发生变化，难以达到最优的稳定条件。然而，现代bulk变流器通常使用同步整流，其中SW2是一个MOSFET，当导通开时，可以在两个方向传导漏电流，因此电感电流可以摆动为负，保持连续传导(图2)。

图2：降压变换器的导电模式

在这种情况下，我们可以容忍峰脉电流峰值之间的ΔI变得较高,可以通过设置的电感值根据ΔI = ET / L计算出，E是在时间T内的电感电压。最先开始考虑的是当E是输出电压时， SW1的关断时间为T时会发生什么现象。Toff是我们的电压传递函数中输入电压为最高时的最大值，因此ΔI也是在这个电时的最大值。对应图举个例子,最大电源电压18V， 3.3V的输出电压, 500 khz的开关频率和脉冲峰值之间的电流为1 A, L计算得到5.4µH，这是假设在SW1和SW2上没有电压降的情况下，需要注意的是负载电流没有计算在内。

可能会有许多想要的负载相匹配的电流等级，记住脉冲电流是叠加在直流值上的，所以在我们的例子中电感电流会在负载电流以上0.5A处达到峰值。电感器可以用用不同的方法来限定电流，可以是热或是磁饱和限制。在峰值电流时必须避免饱和，极限值随温度的升高而减小。对于一个给定的温度上升，热限制电感通常是额定的, 通常是40°C, 如果冷却机制可以运行在更高的电流条件下。仔细检查电感数据曲线以检查它是饱和还是热限制是有必要的。

另一个考虑因素是电感损耗。当脉冲电流较低时，损耗主要为欧姆损耗，可以计算。在高脉冲水平下，芯片损耗开始占主导地位，根据波形形状、频率和温度难以预测。真正的测试是原型测试，这表明可能低脉冲电流对于最佳的整体效率是必要的，同时还需要更多的电感和更高的直流电阻——这是一个迭代过程。

在我们的例子中, TT electronics电子高性能的汽车级功率电感 HA66系列可以作为一个良好的开端。这一系列电感范围范围包括一个5.3µh部分额定饱和电流为2.5,同时允许一个2A的负载（我们设置了上下浮动0.5A的脉冲）。对汽车电子应用而言，通过一家拥有TS-16949（汽车行业质量管理体系）认证质量体系的公司的AECQ-200（应力测试标准）认证的产品是理想的。

图3：TT电子（TT Electronics）的HA66系列电感

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