降壓轉(zhuǎn)換器也稱為降壓轉(zhuǎn)換器，是一種開關(guān)模式穩(wěn)壓器，可有效地將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的直流輸出電壓。在本系列文章中，我們使用 LTspice 來研究開關(guān)模式電壓轉(zhuǎn)換器的電氣行為。本文將開始探討與電路電感器相關(guān)的設(shè)計任務(wù)和權(quán)衡。
    圖 1 中所示的 LTspice 原理圖允許我們模擬降壓轉(zhuǎn)換器的功率級。要成為一個完整的轉(zhuǎn)換器，我們需要添加一個反饋控制環(huán)路來調(diào)節(jié)電壓。

    用于仿真的降壓轉(zhuǎn)換器功率級電路原理圖

    圖 1.用于仿真的降壓轉(zhuǎn)換器功率級電路原理圖
    降壓轉(zhuǎn)換器電感公式

    德州儀器 (TI) 的應(yīng)用筆記提供了以下用于計算電感器尺寸的公式：

    L=VOUT×(VIN?VOUT)ΔIL×fS×VIN

    每個術(shù)語都需要一些解釋：
    V OUT：這是您想要設(shè)計的穩(wěn)壓輸出電壓。您終可能會使用具有更高或更低輸出電壓的調(diào)節(jié)器，這很好，但如果您對輸出電壓進(jìn)行重大更改，轉(zhuǎn)換器可能會受益于新的電感值。
    V IN：同樣，我們通常期望開關(guān)穩(wěn)壓器能夠承受一定范圍的輸入電壓，因此如果您的 V IN不固定，您可以選擇該范圍中間的某個值。
    f S（開關(guān)頻率）：在計算電感值之前，您必須考慮開關(guān)頻率。200 kHz 到 2 MHz 之間的頻率是一個合理的起點。如果您需要一些關(guān)于是否應(yīng)該選擇該范圍的低端或高端的指導(dǎo)，請查看我的文章，題為“如何選擇開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率”。

    ΔI L：這表示電感電流紋波，即電感電流的峰峰值變化，如圖 2 所示

    降壓轉(zhuǎn)換器電感電流紋波
    圖 2.降壓轉(zhuǎn)換器電感器電流紋波
    響應(yīng)于開關(guān)元件的開/關(guān)動作，降壓轉(zhuǎn)換器中的電感器電流上升和下降，延伸到負(fù)載電流（電感器電流的平均值）之上和之下。這些偏差的大小表示為電感電流紋波 (ΔI L )。
    如果我們將電流紋波 (CR) 表示為預(yù)期負(fù)載電流的百分比，則建議的 CR 規(guī)格為 30%。這意味著電感器電流比預(yù)期負(fù)載電流高 15%，電感器電流比預(yù)期負(fù)載電流低 15%。
    您可能會看到“負(fù)載電流”或“滿載電流”等術(shù)語，而不是“預(yù)期負(fù)載電流”。我將所有這些解釋為穩(wěn)壓器需要長期提供的負(fù)載電流。在設(shè)置 ΔI L目標(biāo)時，我不會考慮異常高的瞬態(tài)電流。
    計算降壓轉(zhuǎn)換器電感：示例
    讓我們看一個電感器尺寸調(diào)整的例子。我們將更改 LTspice 電路中的各種參數(shù)，以便我們真正在這里做一些新的事情。
    讓我們想象一下，我們的目標(biāo)是接受相當(dāng)高的系統(tǒng)電壓并生成適合低功耗混合信號嵌入式系統(tǒng)的電壓軌。我們假設(shè)標(biāo)稱輸入電壓為 24 V，所需輸出電壓為 3.3 V。預(yù)期負(fù)載電流為 70 mA。
    開關(guān)穩(wěn)壓器是此類應(yīng)用的，因為大的輸入到輸出差異只會加劇線性穩(wěn)壓器固有的低效率。
    因為我們將為一些模擬電路供電，所以我想減少輸出電壓的紋波。另外，我將選擇更高的開關(guān)頻率（假設(shè)為 1.5 MHz），因為更高的開關(guān)頻率有助于減少輸出紋波。
    我們還需要選擇一個初始工作周期。為此，我們可以使用電路在指定輸入和輸出電壓下所需的占空比，并按如下方式計算占空比：
    Dmax=VOUTVIN×效率
    效率
    合理的效率近似值為 90%，因此我們的占空比約為 15%：   DDmax=3.324×0.9=0.153=15.3%    %  

    在圖 3 中，我更新了原理圖的開關(guān)頻率和占空比。

    我使用的電容器 C 1默認(rèn)值為 1 μF 。我們將在以后的文章中討論電容器尺寸。
    另請注意，我已將負(fù)載電阻替換為電流源 I LOAD。這可確保無論輸出電壓如何，負(fù)載電流均為 70 mA。
    這是我們的電感計算：

    LL1=3.3 V×(24 V?3.3 V)(0.3×70  mA)×1.5 MHz×24 V\約90.4 μH    H   

    這是更新后的原理圖：

    具有電感值的降壓轉(zhuǎn)換器功率級仿真原理圖
    圖 4.具有電感值的降壓轉(zhuǎn)換器功率級仿真原理圖
    降壓轉(zhuǎn)換器功率級的仿真

    圖 5 顯示了通過仿真我們的新型降壓轉(zhuǎn)換器得到的電感電流、負(fù)載電流和輸出電壓。

    降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓、電感電流和負(fù)載電流
    圖 5.降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓（頂部紅色）、電感器電流（底部綠色）和負(fù)載電流（底部橙色）
    這些結(jié)果看起來不錯，但還有很多細(xì)節(jié)有待檢查。我們將在下一篇文章中繼續(xù)討論，我們還將考慮使用高于或低于我們通過公式確定的初始值的電感值的原因。