BUCK变换器输出电感的选择步骤

BUCK变换器输出电感的选择步骤如下。

1、初步计算电感值

BUCK变换器通常利用下面的二个公式来选择电感：

输入电压Vin有一定的波动范围，Vin在最大值、也就是占空比D最小时，电感的电流纹波最大，为最恶劣的情况。在这个条件下，上管关断时间toff(max)、也就是下管开通时间最大。

其中，Ts为开关频率。

通常，设定电感的电流纹波系数r，得到电感的电流的变化值DI，由公式1就可以计算电感值。

其中，Io为输出电流，r通常取0.2-0.4倍的Io。

电感电流纹波系数r取值范围为什么要在0.2-0.4之间？

（1）r过小，会产生如下问题：

磁芯的体积正比储存的能量，r过小导致电感尺寸、体积变大，成本变高。如果磁芯不变，电感值大，纹波小，需要更多匝数的线圈才能得到更大的电感值，同时，导致饱和电流降低。同样饱和电流，电感值加大，只有选用更大体积的磁芯。对于电流模式，电感值过大，电流纹波系数过小，系统的瞬态响应速度变慢。

（2）r过大，会产生如下问题：

电流模式的r取值增加，电感值小，瞬态响应速度快。但是，r过大，输出电流纹波加大，输出电压纹波也变大。电容的有效值电流、开关管的峰值和有效值电流都会增加。输入电容的体积取决于流过的纹波电流，电流有效值增大一倍，体积增大四倍。

同时，r在0.2-0.4之间，电感的能量曲线出现一个拐点，如图1所示。因此，r取在0.2-0.4之间，是多个因素优化折衷考虑的结果。

图1：电感电流纹波系数优化图

National Semiconductor Application Note 1197

电感的取值，总体需要考虑下面三个因素，然后取三个值中的最大电感值。

（1）计算Vin最大时，满足纹波和峰值限流点的最小电感值；

（2）计算变换器在CCM连续模式下的最小电感值；

（3）计算加入斜坡补偿后，避免次谐波振荡的最小电感值。

电感电流纹波系数的选择，就是考虑第一个条件的计算结果。第二个条件结合连续模式的最小电流，很容易计算出结果。很多IC内部加了斜坡补偿，斜坡补偿加入后，会影响最大峰值限流点，峰值限流点和Vin，Vo、Io和电感相关，很多IC内部已经考虑了斜坡补偿不影响最大的输出电流。

考虑斜坡补偿的最小电感值的计算公式：

其中，S为IC内部所加的斜坡补偿值，A/ms。Q为品质因素，通常取2。在占空比大于50%才使用上述公式。

上述的计算值要考虑电感值的误差和温度的变化，然后圆整为标称的电感值，如4.7mH 、10mH等；然后使用标称的电感值，回过去，计算相应的电感纹波和其他参数值。

2、校核电感的饱和电流

在电感的数据表中，电感的供应商提供的电感值，通常是在电流为0时的测量值，饱和电流是指电感值下降到标称值10%的工作电流。

图2：电感的数据表

图3：电感的饱和电流

电感的饱和电流会随着工作温度的增加而降低，所以，要在最极端的条件下，校核电感的饱和电流值，考虑的因素如下。

（1）最高的工作温度；

（2）最大的输入电压；

（3）IC在极端条件下，最大的过流保护点；

（4）IC在极端条件下，最大的前沿消隐时间或电流检测信号的延时；

对于峰值电流模式，前沿消隐时间内，系统过流保护是不起作用的，如果此期间发生电感饱和，就必须考虑此时间结束后、OCP发生作用时，电感电流的最大值，这个电流通常会大于IC的数据表的OCP值。

设计原则：电感的饱和电流大于IC在最恶劣控制条件下电感可能工作的最大电流，而不是IC数据表中最大过流保护OCP值。

3、优化电感的工作温度和功率损耗

电感的损耗包括磁芯损耗（铁损）和线圈损耗（铜损），电感最理想的工作状态就是铁损和铜损相等。减小铜损耗方法有：减小绕组的匝数，或使用更粗的铜线；减小铁损耗方法就是减小磁感应强度B变化率或使用损耗更小的磁芯材料。

电感的损耗随温度的变化有一个温度拐点，温度升高，损耗降低；当到达某一个温度点后，温度升高，损耗反而增加。在超过拐点以上温度工作时为正温度系数区，电流增加，温度升高，电感减小，电流进一步增加，因此工作在正温度系数区比较危险，从设计角度，不希望电感工作在正温度系数区。

图4：电感的温度和损耗

最好的设计原则就是：电感的最高工作温度选在拐点附近靠左边的区域，这样电感的总损耗最小，系统的效率最高。

在实际应用中，如果电感的温度过低，可以在PCB上调整电感和功率MOSFET的距离，适当增加电感的温度，保证其工作在最优的状态。在一些低压大电流输入的逆变器中，可以把功率MOSFET的散热器贴在变压器上，适当增加变压器的温度，从而提高系统的效率。

4、选择电感的形状和封装

根据成本和系统要求，可以选择插脚或表贴的封装。非屏蔽电感的成本低，漏磁大，有EMI问题；屏蔽电感的成本高，EMI性能好。绕线电感要考虑载流能力，也就是线径和电流密度，以及交流集肤效应，高频大电流可以用多线并联，利兹线和扁平铜带，尽可能选用单层线圈。

附件：电感磁芯材料

电感磁芯材料有：铁氧体、铁镍钼合金粉MPP和铁粉芯。

铁氧体具有磁导率高的特点，磁导率在不同的磁通密度下基本保持不变，可以制做较大的电感值；而且它的饱和特性比较硬，就是饱和时，磁导率急剧的降低，电感值也快速的减小。

铁镍钼合金粉MPP的电感在不同的磁通密度时，磁导率变化范围大，损耗比铁氧体大，需要在最大工作电流时校核电感值。BUCK电路的功率电感有较大的直流分量，使用这种材料，电感量随着负载电流减小而增加，有利于在低负载电流时系统仍工作在连续模式。

铁粉芯的饱和特性介于铁氧体和MPP之间，磁导率最小，因此同样的电感值，体积最大，但铁粉芯的价格最便宜。

电感饱和电流的选择，如上图，问题虽然复杂，其实简单的说，就是IC数据表OCP和电感饱和电流降额系数的选择：OCP/IS=a，a取0.2，0.3，0.4，还是更高？