南京观海微电子----开关电流与输入输出电流的关系

简介: 本文详解BOOST、BUCK及SEPIC三种DC-DC拓扑的工作原理与电流关系。重点分析开关电流、输入输出电流的关联,并结合实例讲解元器件选型要点,涵盖电感、二极管参数选择及散热设计,提升电源系统可靠性。(238字)

BOOST 结构的工作原理及波形

BOOST 结构简单原理图见图 1,工作时各点的电压电流波形见图 2。

不考虑上电时的情形,仅考虑稳定工作时,情况如下:

当开关管 Q 导通时(开关管电压为 0),电感 L 相当于一端接 VIN,另一端通过开关管接到 GND。此时,VIN 给电 感充电(电感电压左正右负),电感电流上升,由于开关管串联在回路中,故此段时间,开关管 Q 电流等于电感 L 电流, 同时此过程续流二极管 D 反偏,故二极管上无电流。

当开关管 Q 关断时,由于电感电流不能突变,电感电压变为左低右高,此时有 VIN+VL=VOUT,(VL 为电感 L 上电 压差),故开关管 Q 关断时承受的电压为 VOUT。此时由于电感给 COUT 电容及负载供电,电流逐渐减小,又由于电感 与续流二极管 D 串联,故流过肖特基的电流等于电感放电电流,同时由于开关管 Q 关断,故开关管 Q 的电流为 0。

开关电流与输入、输出电流的关系

通过上面的分析,我们知道,对于 BOOST 电路,电感始终与 VIN 串联在一起,也就是说,电感的平均电流等于输入 电流;同时,上面的分析也可以得出,流过开关管的最大电流等于电感的最大电流。

故,BOOST 结构电路的开关电流与输入端电流直接相关。

由于电感上电流有一定的纹波(纹波大小与电感的感量有关),在实际选型时,要求系统输入电流小于开关电流限值, 并留有一定的余量(考虑到电感感量及功率问题,通常我们建议留 1 倍的余量,即开关电流限值为 5A 时,输入端电流不超 过 2.5A)。通过输入端电流,可以推算出输入功率,也就可以进一步推算出最大的输出电流;由于输出电压大于输入电压, 所以输出电流肯定小于输入电流。

综上:实际应用中开关电流(ISW)大于输入电流(IIN),输入电流(IIN)大于输出电流(IOUT)。

实例

以 XL6006 BOOST 结构为例,计算 12V 输入,24V 输出时,推算 XL6006 能做到的最大输出电流值?(XL6006 开关电流限值 5A)。

开关电流限值为 5A,留 1 倍的余量时,推荐最大输入电流:5A/2=2.5A

则输入端功率:2.5A*12V=30W

按效率 90%计算,输出端功率 30W*0.9=27W

输出端电流:27W/24V=1.125A

元器件选型时注意事项:

输入电流平均值为 2.5A,电感续流能力至少按照 1.5 倍选取,即 2.5A*1.5=3.75,选用续流能力 4A,感量 47uH 的 铁硅铝材质电感;流过肖特基的峰值电流与电感峰值电流相同,肖特基可以选用电流能力 5A,耐压 40V,SMC 封装,如 B540C。

由于功率较大,要做好系统散热处理

这次我们来分析一下 BUCK 结构开关电流与输 出电流的关系。

BUCK 结构的工作原理及波形

BUCK 结构简单原理图见图 1,工作时各点的电压电流波形见图 2。

不考虑上电时的情形,仅考虑稳定工作时,情况如下:

当开关管 Q 导通时,SW 点通过开关管接到 VIN 上,故 SW 点电压等于 VIN,此时 VIN 给电感充电,电流逐渐上升;开关管与电感串联,开关管上电流与电感相同;此时肖特基二极管反偏,反肖特基二极管的电流等于 0。

当开关管 Q 关断时,由于电感电流不能突变,电感电压变为左低右高,肖特基二极管钳位电感 L 左端电压,同时与电 感形成续流回路。如果忽略肖特基二极管的压降,则 SW 点电压等于 0V。由于电感的放电,电感的电流逐渐下降,同时, 肖特基二极管与电感是串联在一起,故此时肖特基二极管的电流等于电感的电流。

开关电流与输入、输出电流的关系

通过上面的分析,我们可以看到,对于 BUCK 电路,电感始终串联在输出回路里,电感的平均电流即为输出电流。同 时,结合上面的分析,电感的最大电流与开关管的最大电流相等。

也就是说,对于 BUCK 电路,开关电流与输出电流直接相关。由于电感上电流有一定的纹波(而纹波的大小与电感量有关),故输出电流一定是小于最大开关限流点。

下式给出了电 感上纹波电流峰-峰值与电感之间的关系。

注意事项:

通过开关电流限值,我们可以估算出系统的最大输出电流,但这只代表着此芯片可以输出这么大的电流,在实际使用中, 应充分考虑发热等因素来决定系统持续输出电流能力

SEPIC(single ended primary inductor converter)电路是一种应用于输出电压可大于、小于或者等于输入电压的 DC-DC 方案。SEPIC 电路具有输入与输出通过 CDC 电容隔离,可使用两个独立的分立功率电感,低 EMI 辐射等特点。

由于 SEPIC 拓扑通常使用升压芯片来实现,但在应用选型上与升压方案存在较多差异,下面我们针对 SEPIC 拓扑方案中 电源芯片的开关电流与输入输出电流的关系进行简单讨论。

SEPIC 电路工作的基本原理

我们以图 1 中 XL6019 SEPIC 拓扑电路为例:

当芯片内部开关管 Q1 导通时,电流回路如图 1 中蓝色虚线所示,CIN→L1→Q1→GND 回路和 CDC→Q1→GND→ L2 回路,同时 COUT 电容向负载供电。

当芯片内部开关管 Q1 断开时,电流回路如图 1 中红色虚线所示,CIN→L1→CDC→D1→COUT 与负载回路和 L2→D1 →COUT 与负载回路,此阶段 CIN 和 L1 既向负载供电,同时也给 CDC 电容充电。

SEPIC 电路中电感上电流

L1 和 L2 电流波形如下图 2 所示:

由于 SEPIC 拓扑的特殊性,在选型时还有以下几点需要注意:

1.芯片的功率管耐压一定要大于输入电压与输出电压之和;

2.续流用的肖特基二极管耐压一定要大于输入电压与输出电压之和,且有 30%的余量;

3.若使用耦合电感,需要注意电感的同名端,若使用分立电感则无需注意;

4.转换效率相对于 BOOST 或 BUCK 拓扑低 8 个百分点左右,使用相同芯片的 SEPIC 拓扑方案,其输出功率只能 达到 BOOST 拓扑的一半左右。

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