スイッチング電源に適したインダクタを選ぶ方法は?

インダクタンスはチョークとも呼ばれ、それを流れる電流の中で「非常に大きな慣性」が特徴です。つまり、磁束の連続性のために、インダクタ上の電流は連続的でなければならず、そうでなければ大きな電圧スパイクが発生する。インダクタンスは磁性成分であり、当然磁気飽和の問題があります。一部のアプリケーションでは、インダクタが飽和状態にすることができ、一部のアプリケーションでは、インダクタが特定の電流値から飽和状態に入ることを可能にし、一部のアプリケーションでは、特定の回路で区別を必要とするインダクタが飽和することを許可しません。

ほとんどの場合、インダクタは「リニア領域」で動作し、このときインダクタンス値は一定であり、端子電圧や電流では変化しない。しかし、スイッチング電源では無視できない問題、つまりインダクタンスの巻き上げが2つの分散パラメータ(または寄生パラメータ)を引き起こし、1つは必然的な巻き取り抵抗であり、もう1つは巻き上げプロセスと材料に関連する分布である。浮遊容量。

浮遊容量は低周波数ではほとんど効果を持っていませんが、周波数が大きくなるにつれて徐々に明らかになります。周波数が特定の値よりも高い場合、インダクタンスは容量特性となる場合がある。浮遊容量がコンデンサに「集中」している場合、インダクタンスの等価回路を使用して、特定の周波数の後に現れるキャパシタンス特性を確認することができます。

回路内のインダクタの動作状態を解析する場合や、電圧と電流波形を描画する場合は、次の特性を考慮するとよいでしょう。

1. 電流IがインダクタLを流れる場合、インダクタに蓄えされるエネルギーは次の通りです。E=0.5×L×I2(1)

2. スイッチングサイクルでは、インダクタ電流の変化(ピークからピークへのリップル電流)とインダクタ間の電圧との関係は次のとおりです。V=(L×ディ)/dt(2)

リップル電流の大きさがインダクタンス値に関係しているのが分かる。

3.コンデンサが充電電流と放電電流を持っているのと同様に、インダクタにも充電と放電電圧プロセスがあります。コンデンサの電圧は電流の積分(A·秒)に比例し、インダクタの電流は電圧の積分(Vol.秒)に比例します。インダクタの電圧が変化する限り、変化の変化の電流率は変化する。順方向電圧は電流を直線的に上昇させ、逆電圧は電流を直線的に低下させます。

適切なインダクタンス値を計算することは、最小出力電圧リップルを得るために、適切なインダクタと出力コンデンサを選択する上で非常に重要です。

図1から、スイッチング電源インダクタを流れる電流はACおよびDCコンポーネントで構成されているのが分かる。ACコンポーネントは周波数が高いため、出力コンデンサを通して地面に流れ込み、対応する出力リップル電圧dvを生成します。=ディ×RESR。このリップル電圧は、電力システムの通常の動作に影響しないように、できるだけ低くする必要があります。一般的にピーク値は10mV〜500mVである。

図1:スイッチング電源のインダクタ電流

リップル電流のサイズは、インダクタと出力コンデンサのサイズにも影響します。リップル電流は、一般に最大出力電流の10%~30%に設定されます。このため、ステップダウン電源の場合、インダクタを流れる電流のピーク値は電源のピーク値よりも高くなる。出力電流は5%〜15%大きい。

ステップダウンスイッチング電源のインダクタンス選択

ステップダウンスイッチング電源用のインダクタを選択する場合、最大入力電圧、出力電圧、電源スイッチング周波数、最大リップル電流、デューティサイクルを決定する必要があります。次に、ステップダウン スイッチング電源のインダクタンスの計算例として図 2 を示します。まず、スイッチング周波数が300kHz、入力電圧範囲が12V±10%、出力電流が1A、最大リップル電流が300mAであると仮定します。

図2:ステップダウンスイッチング電源の回路図

最大入力電圧は13.2Vで、対応するデューティサイクルは次のとおりです。

D=Vo/Vi=5/13.2=0.379(3)

その中でも、Voは出力電圧、Viは出力電圧です。スイッチチューブの電源を入れると、インダクタの電圧は次のようになります。

V=ヴィ・ヴォ=8.2V(4)

スイッチチューブの電源を切ると、インダクタの電圧は次のようになります。

V=-Vo-Vd=-5.3V(5)

dt=D/F(6)

数式 2/3/6 を数式 2 に置き換えると、次のようになります。

ステップアップスイッチング電源のインダクタンス選択

昇圧スイッチング電源のインダクタンス値の計算については、デューティサイクルとインダクタ電圧の関係が変化した点を除き、昇降式スイッチング電源の計算方法と同じです。

計算の例として図 3 を取ります。スイッチング周波数が300kHzであると仮定すると、入力電圧範囲は5V±10%、出力電流は500mA、効率は80%、最大リップル電流は450mA、対応するデューティサイクルは次のようになります。

D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7)

図3:ステップアップスイッチング電源の回路図

スイッチチューブの電源を入れると、インダクタの電圧は次のようになります。

V=ヴィ=5.5V(8)

スイッチチューブの電源を切ると、インダクタの電圧は次のようになります。

V=Vo+Vd-Vi=6.8V(9)

数式 6/7/8 を数式 2 に置き換えると、次のようになります。

ステップアップ電源は、前者の負荷電流が必ずしもインダクタ電流によって供給されないという点で、ステップダウン電源とは異なっています。スイッチチューブをオンにすると、インダクタ電流がスイッチチューブを通ってグランドに流れ込み、出力コンデンサによって負荷電流が流れます。したがって、出力コンデンサは、この期間中に負荷に必要な電流を提供するのに十分なエネルギー貯蔵容量を持っている必要があります。ただし、スイッチオフ期間中は、インダクタを流れる電流が負荷を提供するだけでなく、出力コンデンサにも充電されます。

一般的に言えば、インダクタンス値が大きいほど出力リップルは小さくなりますが、電源の動的応答もそれに応じて悪化します。したがって、インダクタンス値の選択は、最も理想的な効果を達成するために回路の特定のアプリケーション要件に応じて調整することができます。

スイッチング周波数の増加によりインダクタンス値が小さくなり、インダクタンスの物理的なサイズが小さくなり、回路基板スペースを節約できます。そのため、現在のスイッチング電源は、小型・小型の電子製品の要求を満たす高周波開発の傾向があります。

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