功率电感器基础第2章：DC-DC转换器的工作机制和功率电感器的作用 (功率电感选型注意事项)
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{本文由家电维修技术小编收集整理资料}功率电感器是构成DC-DC转换器等电压变化电路的功能部件，因此其优劣和常数的选择需要符合DC-DC转换器的工作机制。本章介绍DC-DC转换器的工作机制和功率电感器的作用。第1章介绍了功率电感器特性的查看方法及工艺特点上的差异。功率电感器基础第1章：何谓功率电感器？工艺特点上的差异？功率电感器是构成DC-DC转换器等电压变化电路的功能部件，因此其优劣和常数的选择需要符合DC-DC转换器的工作机制。本章介绍DC-DC转换器的工作机制和功率电感器的作用。2.1、DC-DC转换器简介DC-DC转换器是将一定范围的输入电压转换为恒定输出电压的电路总称。其转换方式包括线性稳压器和开关稳压器。另外，电路配置因输入电压的升降而不同，存在多种类型。
图2-4-1-1在数字电路中的使用案例2)RF电路电源继数字电路之后，较多使用DC-DC转换器的电路为RF电路。与DC-DC转换器相关的RF电路主要指包络*IC(ETIC）、基带处理器、蓝牙模块、Wifi模块等的电路。以低于电池的电压驱动，因此需要配置降压型DC-DC转换器。DC-DC转换器的特点是兼有模块化类型，功率电感器及电容器配置于内部（L约为2.2uH）。图2-4-1-2在RF电路中的使用案例3)显示电路电源智能定位器显示屏也使用了DC-DC转换器。液晶显示器的LED背光及有机EL显示面板所需的电压高于电池，因此采用升压型DC-DC转换器。LED背光根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是采用高耐压开关元件，因此难以设置为较高的转换频率。因此使用L电感值较高（L约为uH）的功率电感器。图2-4-1-3在显示电路中的使用案例2.4.2案例介绍：汽车/Automotive汽车普遍使用非绝缘型DC-DC转换器。汽车应用大致分为以下几种：PowerTrain及Safety较多使用单路输出DC-DC转换器，Infotainment还会使用PMIC。与智能定位器的主要差异为，运行电压较大，需将DC-DC转换器的输入电压调节为V或V。应用种类丰富，电感值根据用途会有较大差异。使用功率电感器的主要应用PowertrainSafetyInfotainmentComfortxEVSystem图2-4-2-1汽车中DC-DC转换器的应用点本节介绍Safety中使用的ADAS、HeadLamp及Infotainment中使用的IVI案例。1)ADAS、IVI电源ADAS及IVI中，驱动应用所需电压低于电池，因此使用降压型DC-DC转换器。电源配置与智能定位器或PC类似。应用实例：ADAS的*头和传感器、IVI的音响*。DC-DC转换器的特点是：电压从V降为3.3～5.0V，然后根据应用继续降压，通常构成1次和2次降压电路。图2-4-2-2在ADAS,IVI中的使用案例2)HeadLamp电源HeadLamp的LED照明主要使用升压型DC-DC转换器。根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是：与智能定位器的LED背光相同，使用电感值较高的功率电感器。图2-4-2-3在HeadLamp中的使用案例2.5、DC-DC转换器的工作原理下面介绍非绝缘型开关稳压器的工作机制。DC-DC转换器的结构分为降压型、升压型及升降压型。本节以降压型开关稳压器为例，对工作机制进行说明。图2-5-1降压型DC-DC转换器的基本图图2-5-1为降压型开关稳压器的基本电路图。电路配置了1个功率电感器。SW1为ON时SW2为OFF，SW1为OFF时SW2为ON。SW在ON/OFF之间切换时的电路变化如图2-5-2所示。假设功率电感器输入侧端子的位置为A点。SW1为ON、SW2为OFF时，输入电源的电压将直接供给功率电感器，因此A点的电位与Vin相等。SW1为OFF、SW2为ON时，功率电感器与输入电源断开，并连接到GND。因此A点的电位与GND相等。图2-5-2开关ON/OFF时的工作原理这2种状态因转换动作而重复，功率电感器的输入侧（A点）电压在Vin[V]与0[V]之间交替重复。功率电感器的输入侧被施加振幅Vin的脉冲电压。为了向输出侧供给恒压，功率电感器应如何工作？功率电感器和平滑电容器构成了LC低通滤波器电路。输入侧施加的脉冲电压经过LC电路的平滑化处理后输出。如此考虑就容易理解恒压输出机制。图2-5-3所示为进行转换动作时A点电压与Vout的关系。上图表示SW1为ON的时间占%，即占空比为%。对此时的电压进行平滑化处理后，%Vin的Vin/2将作为输出电压Vout输出。下图所示为占空比%的情况。%Vin的Vin/4将作为输出电压Vout输出。即，输出电压越高占空比也越高，反之亦然。开关稳压器可通过更改转换的占空比，控制各种电压值后进行输出。图2-5-3降压型DC-DC转换器的电压控制图根据上述分析，可以认为通过开关控制能对输出电压进行控制。但在选择功率电感器之前，必须了解功率电感器的规格将对效率和噪声产生何种影响。为此需要对电感器的电流进行说明。下面谈一谈电感器电流。如上所述，功率电感器可对脉冲电压进行平滑化处理，此外还有一个重要作用，它取决于电感器的自感特性。如图2-5-2所示，SW1为ON时输入侧供给的电流为Iout，SW1变为OFF后，输入电源立刻断开，从而无法供给Iout。功率电感器可以解决这个问题。电感器具有自感特性，会沿着阻碍电流变化的方向产生感应电动势。因此，即使电感器上施加的电压消失，也可确保继续产生电流。图2-5-4功率电感器的电压电流波形图2-5-4为DC-DC转换器工作时，功率电感器的电压波形和电流波形。SW1为ON时，输入电源通电，电感器产生电流。此时，电流随时间增加而上升，积蓄的能量也随之增加。SW1为OFF时，输入侧电压变为0[V]，根据电感器的特性，电流不立即消失，而随时间增加而逐渐减少。也可认为SW1为ON时积蓄的能量在OFF时释放。功率电感器使电流连续产生，呈现三角波形。流经电感器的三角波电流振幅公式如下。上式的各项参数如何影响工作电流波形？村田曾发布web工具
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图2-1DC-DC转换器的定义2.2、配置DC-DC转换器的必要性只有电源电路需要配置DC-DC转换器。CPU、内存、LED等配件的运行需要各种DC电压。例如，移动设备的锂离子电池，其电池电压仅为3.7V。调整这些电压差需要配置DC-DC转换器。DC-DC转换器的应用非常普遍,几乎所有电子设备都需要使用。图2-2配置DC-DC转换器的必要性2.3、DC-DC转换器的分类DC-DC转换器分为线性稳压器和开关稳压器。图2-3DC-DC转换器的分类2.3.1线性稳压器的原理线性稳压器采用最简单的方式，通过电阻分压转换电压。例如，希望将输入电压的一半转换为输出电压时，可使负载电阻和稳压器的可变电阻相同。图2-3-1线性稳压器的原理本方式具有简单、低价的特点，但由于使用电阻，因此具有输入/输出的电位差越大，功率损耗也越大（效率降低）的缺点，从而导致移动设备等的电池使用时间缩短。部分设备还会配置*机构，以降低因功率损耗而产生的热量。因此，大多数情况用于功耗较低、输入/输出电位差较小的电路，而功耗较高的电路基本使用开关稳压器。2.3.2开关稳压器的原理开关稳压器由开关元件、电感器和电容器等功能部件的组合电路构成。可通过快速切换开关的ON/OFF以调节输出电压，在理想状态下可实现无损耗电压转换。图2-3-2开关稳压器的原理本方式分为绝缘型和非绝缘型。绝缘型开关稳压器采用输入电压（1次侧）和输出电压（2次侧）通过变压器实现绝缘的方式。转换高压电路时，用于防止触电或漏电事故。非绝缘型是相对于绝缘型的叫法，不使用变压器，是输入电压和输出电压之间未进行绝缘的方式。大部分使用电池的移动设备及车载设备的电压较低，因此使用非绝缘型DC-DC转换器。本节介绍非绝缘型DC-DC转换器的使用示例和具体的工作机制。2.4、DC-DC转换器的使用示例下面介绍在智能定位器和汽车中使用非绝缘型DC-DC转换器的示例。2.4.1案例介绍：智能定位器智能定位器的以下配件使用DC-DC转换器本节介绍数字电路电源、RF电路电源、显示电路电源的具体示例。图2-4-1智能定位器中DC-DC转换器的应用点1)数字电路电源（PMIC*1）数字电路主要指CPU、GPU、Memory等的电路。数字电路的特点是：比起3.6-3.8V的电池电压，驱动电压仅为0.8-1.8V。因此，需要配置降压型DC-DC转换器。所用DC-DC转换器的特点是：转换频率高、输出电流大。使用体积小、L电感值较低（L约为1uH）的功率电感器。*1)PMIC：PowerManagementIC。用于需要配置多通道DC-DC转换器的多功能LSI、且配有多个DC-DC转换器和控制微机的IC。图2-4-1-1在数字电路中的使用案例2)RF电路电源继数字电路之后，较多使用DC-DC转换器的电路为RF电路。与DC-DC转换器相关的RF电路主要指包络*IC(ETIC）、基带处理器、蓝牙模块、Wifi模块等的电路。以低于电池的电压驱动，因此需要配置降压型DC-DC转换器。DC-DC转换器的特点是兼有模块化类型，功率电感器及电容器配置于内部（L约为2.2uH）。图2-4-1-2在RF电路中的使用案例3)显示电路电源智能定位器显示屏也使用了DC-DC转换器。液晶显示器的LED背光及有机EL显示面板所需的电压高于电池，因此采用升压型DC-DC转换器。LED背光根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是采用高耐压开关元件，因此难以设置为较高的转换频率。因此使用L电感值较高（L约为uH）的功率电感器。图2-4-1-3在显示电路中的使用案例2.4.2案例介绍：汽车/Automotive汽车普遍使用非绝缘型DC-DC转换器。汽车应用大致分为以下几种：PowerTrain及Safety较多使用单路输出DC-DC转换器，Infotainment还会使用PMIC。与智能定位器的主要差异为，运行电压较大，需将DC-DC转换器的输入电压调节为V或V。应用种类丰富，电感值根据用途会有较大差异。使用功率电感器的主要应用PowertrainSafetyInfotainmentComfortxEVSystem图2-4-2-1汽车中DC-DC转换器的应用点本节介绍Safety中使用的ADAS、HeadLamp及Infotainment中使用的IVI案例。1)ADAS、IVI电源ADAS及IVI中，驱动应用所需电压低于电池，因此使用降压型DC-DC转换器。电源配置与智能定位器或PC类似。应用实例：ADAS的*头和传感器、IVI的音响*。DC-DC转换器的特点是：电压从V降为3.3～5.0V，然后根据应用继续降压，通常构成1次和2次降压电路。图2-4-2-2在ADAS,IVI中的使用案例2)HeadLamp电源HeadLamp的LED照明主要使用升压型DC-DC转换器。根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是：与智能定位器的LED背光相同，使用电感值较高的功率电感器。图2-4-2-3在HeadLamp中的使用案例2.5、DC-DC转换器的工作原理下面介绍非绝缘型开关稳压器的工作机制。DC-DC转换器的结构分为降压型、升压型及升降压型。本节以降压型开关稳压器为例，对工作机制进行说明。图2-5-1降压型DC-DC转换器的基本图图2-5-1为降压型开关稳压器的基本电路图。电路配置了1个功率电感器。SW1为ON时SW2为OFF，SW1为OFF时SW2为ON。SW在ON/OFF之间切换时的电路变化如图2-5-2所示。假设功率电感器输入侧端子的位置为A点。SW1为ON、SW2为OFF时，输入电源的电压将直接供给功率电感器，因此A点的电位与Vin相等。SW1为OFF、SW2为ON时，功率电感器与输入电源断开，并连接到GND。因此A点的电位与GND相等。图2-5-2开关ON/OFF时的工作原理这2种状态因转换动作而重复，功率电感器的输入侧（A点）电压在Vin[V]与0[V]之间交替重复。功率电感器的输入侧被施加振幅Vin的脉冲电压。为了向输出侧供给恒压，功率电感器应如何工作？功率电感器和平滑电容器构成了LC低通滤波器电路。输入侧施加的脉冲电压经过LC电路的平滑化处理后输出。如此考虑就容易理解恒压输出机制。图2-5-3所示为进行转换动作时A点电压与Vout的关系。上图表示SW1为ON的时间占%，即占空比为%。对此时的电压进行平滑化处理后，%Vin的Vin/2将作为输出电压Vout输出。下图所示为占空比%的情况。%Vin的Vin/4将作为输出电压Vout输出。即，输出电压越高占空比也越高，反之亦然。开关稳压器可通过更改转换的占空比，控制各种电压值后进行输出。图2-5-3降压型DC-DC转换器的电压控制图根据上述分析，可以认为通过开关控制能对输出电压进行控制。但在选择功率电感器之前，必须了解功率电感器的规格将对效率和噪声产生何种影响。为此需要对电感器的电流进行说明。下面谈一谈电感器电流。如上所述，功率电感器可对脉冲电压进行平滑化处理，此外还有一个重要作用，它取决于电感器的自感特性。如图2-5-2所示，SW1为ON时输入侧供给的电流为Iout，SW1变为OFF后，输入电源立刻断开，从而无法供给Iout。功率电感器可以解决这个问题。电感器具有自感特性，会沿着阻碍电流变化的方向产生感应电动势。因此，即使电感器上施加的电压消失，也可确保继续产生电流。图2-5-4功率电感器的电压电流波形图2-5-4为DC-DC转换器工作时，功率电感器的电压波形和电流波形。SW1为ON时，输入电源通电，电感器产生电流。此时，电流随时间增加而上升，积蓄的能量也随之增加。SW1为OFF时，输入侧电压变为0[V]，根据电感器的特性，电流不立即消失，而随时间增加而逐渐减少。也可认为SW1为ON时积蓄的能量在OFF时释放。功率电感器使电流连续产生，呈现三角波形。流经电感器的三角波电流振幅公式如下。上式的各项参数如何影响工作电流波形？村田曾发布web工具 
