?升壓轉(zhuǎn)換器中的電感電流：SPICE分析

在LTspice的幫助下，我們研究了電感電流如何影響升壓轉(zhuǎn)換器的功能。

本系列以前的文章介紹了升壓開關(guān)調(diào)節(jié)器的設(shè)計和基本操作。在本文中，我們將使用圖1中電路的LTspice模擬來研究電感電流、輸出電流和能量傳輸。

低壓示意圖。

?圖1。LTspice中使用的升壓轉(zhuǎn)換器示意圖。

電感電流紋波

圖2顯示了我們的升壓轉(zhuǎn)換器與控制開關(guān)的信號相關(guān)的電感電流。

?圖2。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的電感電流（綠色）與開關(guān)電壓（紅色）的關(guān)系。

如預(yù)期的那樣，電感器電流在循環(huán)的接通部分期間增加，并且在關(guān)斷部分期間減少。

我們也可以從電感器充電和放電的角度來考慮這一點(diǎn)：

當(dāng)開關(guān)接通時，電感器吸收來自輸入電源的能量。

當(dāng)開關(guān)斷開時，該能量被傳輸至輸出電容器。

在上一篇關(guān)于開關(guān)調(diào)節(jié)器的文章中，我提到了經(jīng)驗(yàn)法則，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，電感器電流紋波大?。éL）應(yīng)為最大負(fù)載電流的30%。然而，在上面的圖中，電流紋波的大小大約比我推薦的30%的值高300 mA-ten。

當(dāng)我創(chuàng)建這個電路的參數(shù)時，我最初試圖通過使用公式生成電感值；結(jié)果比我最終使用的2μH值高了一個數(shù)量級，我根據(jù)所需的組件尺寸進(jìn)行了選擇。

這個方程式中的所有術(shù)語都在我最初發(fā)現(xiàn)它的Texas Instruments應(yīng)用注釋中進(jìn)行了定義。然而，對于我們的目的來說，重要的是電感（L）與ΔIL成反比，所以當(dāng)我將電感減小一個數(shù)量級時，電流紋波以相同比例增加。

我們應(yīng)該擔(dān)心這個巨大的ΔIL嗎？這并不是天生的問題，但我認(rèn)為一些擔(dān)心是合理的，特別是如果我們想要用一個小電感器來減少電路板空間和組件成本。如果是這種情況，我們需要在設(shè)計過程中考慮以下問題：

更高的電流紋波導(dǎo)致更高的峰值電流并產(chǎn)生更多的EMI。

電感器的峰值電流必須小于電感器的飽和電流和最大允許開關(guān)電流。

隨著電流紋波的增大，隨著負(fù)載電流的減小，轉(zhuǎn)換器更可能經(jīng)歷不連續(xù)的傳導(dǎo)。

電感器電流與負(fù)載電流

與降壓轉(zhuǎn)換器不同，升壓轉(zhuǎn)換器的負(fù)載電流不等于其電感電流的平均值：相反，平均電感電流更高。我們可以在圖3中看到這種關(guān)系，它描繪了圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的電感電流和負(fù)載電流。

升壓轉(zhuǎn)換器的電感電流（綠色）和負(fù)載電流（紅色）的LTspice圖。

?圖3。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的電感電流（綠色）與負(fù)載電流（紅色）的關(guān)系。

電路電感器側(cè)的電壓低于輸出側(cè)的電壓：為了保持平衡，電感器側(cè)的電流平均高于輸出側(cè)的電流。此外，正如我們在圖4中看到的那樣，電感器本身兩端的電壓幅值永遠(yuǎn)不會像負(fù)載電路兩端的電壓那樣高。因此，通過電感器的電流更高。

升壓轉(zhuǎn)換器電感器電壓（綠色）與負(fù)載電路兩端電壓（紅色）的LTspice呈現(xiàn)。

?圖4。圖1中升壓轉(zhuǎn)換器的電感器兩端的電壓（綠色）與負(fù)載電路兩端的電壓（紅色）。

能量傳輸

我們可以通過考慮能量而不是電壓和電流，使這條推理路線在數(shù)學(xué)上更加穩(wěn)健。圖5顯示了電感器兩端的電壓乘以電感器電流。電感器的串聯(lián)電阻設(shè)置為零，這意味著電感器不消耗能量；軌跡因此傳送電感器正在存儲和釋放的能量的量。

升壓轉(zhuǎn)換器電感器隨時間的儲能，以LTspice表示。

?圖5。升壓轉(zhuǎn)換器電感器隨時間的儲能。

提示：如果在點(diǎn)擊相關(guān)組件的同時按住ALT鍵，LTspice會自動生成這樣的功率圖。

現(xiàn)在我們將使用LTspice來顯示絕對值，這樣正能量和負(fù)能量就不會互相抵消（圖6）。

升壓轉(zhuǎn)換器電感隨時間變化的儲能絕對值，以LTspice表示。

?圖6。升壓轉(zhuǎn)換器電感器隨時間變化的儲能絕對值。

接下來，我們要評估流過電感器的能量的平均值（圖7）。

升壓轉(zhuǎn)換器電感的平均能量，以LTspice表示。相關(guān)值位于疊加在圖6中繪圖上的光標(biāo)框中。

?圖7。升壓平均能量。

提示：如果按住CTRL鍵同時單擊圖形頂部的跟蹤表達(dá)式，LTspice將計算跟蹤的平均值。

從中我們可以看出，通過電感器的能量流與傳輸?shù)截?fù)載的功率相似。

根據(jù)LTspice，開關(guān)消耗的平均功率為38mW，二極管消耗的平均功率為34mW。如果我們將這些值加到負(fù)載功率中，我們得到以下值：

出現(xiàn)約70 mW差異是因?yàn)殡姼衅麟娏髁鬟^開關(guān)（充電階段）和二極管（放電階段）時會失去一些功率。

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了解電感電流的細(xì)節(jié)，特別是電流紋波的大小，可以幫助減少在SMPS設(shè)計過程中經(jīng)常出現(xiàn)的混淆。我們將在下一篇文章中查看更多的電流和電壓波形，直到那時為止，我希望本文已經(jīng)闡明了升壓轉(zhuǎn)換器中的電感電流如何與電路的電氣行為的其他方面相關(guān)。