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什么是滤波电感?它在开关电源的计算公式

作者:索源科技来源:http://www.szsoy.cn 日期:2019-08-10

什么是滤波电感?滤波电感一般采用铁氧体材料,它可以方便地与穿心电容组合起来,形成复合滤波器,在高性能滤波器中,也采用线绕电感。但需注意,铁氧材料在大电流下会发生磁饱和,降低滤波器效能。那么滤波电感是怎么计算的呢?

开关电源次级线圈上的输出电压Uo是脉冲状态

   (图一)
要使脉冲方波变成可供电路使用的直流电,还需要对它进行平滑处理,常用的平滑电路由整流二极管、滤波电容、滤波电感构成。

(图二)
㈠. 平滑处理原理
(图二)中电感L在电路中既有储能作用,且对交流成分呈高阻抗,能阻止交流成分通过。电容C1—C4对交流信号呈低阻抗,允许交流成分通过,而对直流呈高阻抗,而阻止直流通过。
感抗: XL=2πfL
电感对高频成分呈高阻抗,感抗越大,对高频信号的电抗电压越大,阻止高频成分通过的能力越强。
容抗:XC=1/2πfC
电容对直流呈高阻抗,能阻止直流通过,对交流成分呈低阻抗,容抗越小,交流成分就越容易通过。
(图二)中LC的乘积越大对高频成分的平滑作用越好。为求得最佳电感量,可按下节进行设计计算。
㈡. 开关稳压电源输出的纹波噪声
平滑滤波后开关电源输出波形

(图三)
  不难看出,经过(图二)电路平滑后的直流输出中包含了一定的纹波噪声。
  
  它分两部分:
纹波:与初级输入工频频率和开关频率同步的波形即为纹波。
噪声:在纹波上的针状毛刺就是噪声。
两类波合在一起称为:纹波噪声。
㈢输出平滑处理电路中电感L的设计计算
电感L的计算有如下一些公式:
流过电感L的纹波电流△Il为输出电流Io的2%~5%,
   即:
   △Il=(0.02~0.05)Io
  △Il=Tonmax(Umin-Vf-Vo)/L
  L=DTonmax(Umin-Vf-Vo)/△Il
  Uomin=T(Vomax+Vf+VI)/D
  D=Tonmanx/T
㈣计算实例
输出电压 Vo=5V 10%±
输出电流 Io=20A
开关频率 F=200KHz
占空比   D=0.42
开关周期:T=1/F=1/200×103=5μs
最大导通时间:Ton max=TD=5×0.42=2.1μS
输出最大直流电压: Vo max=5×10%=5.5 V
次级线圈上的最小电压:Umin=5×(5.5+0.2+0.4)/2.1=14.5V
在一般情况下,滤波电感中通过的电流△Il的值是Io的2%~5%本例取5%
根据式②L△Il= Ton max(Umin -Vf-Vomax)/△Il=2.1(14.5-0.4-5.5)/1=18.06μH
取整L=18μH通过的电流为20A。
当Io<1A时,可采用非晶合金磁性材料制成的磁珠,套在整流管的输出端引线上,形成电感,而电流大于1A时,则应选用磁芯或磁环绕制。为减少电感直流电阻、降低损耗、减少电感发热,绕制滤波电感用的漆包线的电流密度J应按较小值。本例J=4A/mm2,即漆包线线裸线直径d=20÷4=5.0mm2
本例滤波电感导线粗,选用D=50mm的MOX磁环,每匝大约对应3μH,但因磁环性能的差异,绕制时要由测试数据来确定电感量。
注:滤波电感压降Vl=0.2 V 由设计师确定,为减小电感损耗,滤波电感上的电压降应小于0.5V,本例取0.2V

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