?升壓轉換器中的電感電流：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換器的功能。

本系列以前的文章介紹了升壓開關調節器的設計和基本操作。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中使用的升壓轉換器示意圖。

電感電流紋波

圖2顯示了我們的升壓轉換器與控制開關的信號相關的電感電流。

?圖2。圖1中升壓轉換器的電感電流（綠色）與開關電壓（紅色）的關系。

如預期的那樣，電感器電流在循環的接通部分期間增加，并且在關斷部分期間減少。

我們也可以從電感器充電和放電的角度來考慮這一點：

當開關接通時，電感器吸收來自輸入電源的能量。

當開關斷開時，該能量被傳輸至輸出電容器。

在上一篇關于開關調節器的文章中，我提到了經驗法則，根據經驗法則，電感器電流紋波大小（ΔIL）應為最大負載電流的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。

當我創建這個電路的參數時，我最初試圖通過使用公式生成電感值；結果比我最終使用的2μH值高了一個數量級，我根據所需的組件尺寸進行了選擇。

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

我們應該擔心這個巨大的ΔIL嗎？這并不是天生的問題，但我認為一些擔心是合理的，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，我們需要在設計過程中考慮以下問題：

更高的電流紋波導致更高的峰值電流并產生更多的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電流。

隨著電流紋波的增大，隨著負載電流的減小，轉換器更可能經歷不連續的傳導。

電感器電流與負載電流

與降壓轉換器不同，升壓轉換器的負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中看到這種關系，它描繪了圖1中升壓轉換器的電感電流和負載電流。

升壓轉換器的電感電流（綠色）和負載電流（紅色）的LTspice圖。

?圖3。圖1中升壓轉換器的電感電流（綠色）與負載電流（紅色）的關系。

電路電感器側的電壓低于輸出側的電壓：為了保持平衡，電感器側的電流平均高于輸出側的電流。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不會像負載電路兩端的電壓那樣高。因此，通過電感器的電流更高。

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

?圖4。圖1中升壓轉換器的電感器兩端的電壓（綠色）與負載電路兩端的電壓（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學上更加穩健。圖5顯示了電感器兩端的電壓乘以電感器電流。電感器的串聯電阻設置為零，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。

升壓轉換器電感器隨時間的儲能，以LTspice表示。

?圖5。升壓轉換器電感器隨時間的儲能。

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

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

升壓轉換器電感隨時間變化的儲能絕對值，以LTspice表示。

?圖6。升壓轉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）。

升壓轉換器電感的平均能量，以LTspice表示。相關值位于疊加在圖6中繪圖上的光標框中。

?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到負載的功率相似。

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

出現約70 mW差異是因為電感器電流流過開關（充電階段）和二極管（放電階段）時會失去一些功率。

下一篇

了解電感電流的細節，特別是電流紋波的大小，可以幫助減少在SMPS設計過程中經常出現的混淆。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，我希望本文已經闡明了升壓轉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。