​升压转换器中的电感电流：SPICE分析

在LTspice的帮助下，我们研究了电感电流如何影响升压转换器的功能。

本系列以前的文章介绍了升压开关调节器的设计和基本操作。在本文中，我们将使用图1中电路的LTspice模拟来研究电感电流、输出电流和能量传输。

低压示意图。

•图1。LTspice中使用的升压转换器示意图。

电感电流纹波

图2显示了我们的升压转换器与控制开关的信号相关的电感电流。

•图2。图1中升压转换器的电感电流（绿色）与开关电压（红色）的关系。

如预期的那样，电感器电流在循环的接通部分期间增加，并且在关断部分期间减少。

我们也可以从电感器充电和放电的角度来考虑这一点：

当开关接通时，电感器吸收来自输入电源的能量。

当开关断开时，该能量被传输至输出电容器。

在上一篇关于开关调节器的文章中，我提到了经验法则，根据经验法则，电感器电流纹波大小（ΔIL）应为最大负载电流的30%。然而，在上面的图中，电流纹波的大小大约比我推荐的30%的值高300 mA-ten。

当我创建这个电路的参数时，我最初试图通过使用公式生成电感值；结果比我最终使用的2μH值高了一个数量级，我根据所需的组件尺寸进行了选择。

这个方程式中的所有术语都在我最初发现它的Texas Instruments应用注释中进行了定义。然而，对于我们的目的来说，重要的是电感（L）与ΔIL成反比，所以当我将电感减小一个数量级时，电流纹波以相同比例增加。

我们应该担心这个巨大的ΔIL吗？这并不是天生的问题，但我认为一些担心是合理的，特别是如果我们想要用一个小电感器来减少电路板空间和组件成本。如果是这种情况，我们需要在设计过程中考虑以下问题：

更高的电流纹波导致更高的峰值电流并产生更多的EMI。

电感器的峰值电流必须小于电感器的饱和电流和最大允许开关电流。

随着电流纹波的增大，随着负载电流的减小，转换器更可能经历不连续的传导。

电感器电流与负载电流

与降压转换器不同，升压转换器的负载电流不等于其电感电流的平均值：相反，平均电感电流更高。我们可以在图3中看到这种关系，它描绘了图1中升压转换器的电感电流和负载电流。

升压转换器的电感电流（绿色）和负载电流（红色）的LTspice图。

•图3。图1中升压转换器的电感电流（绿色）与负载电流（红色）的关系。

电路电感器侧的电压低于输出侧的电压：为了保持平衡，电感器侧的电流平均高于输出侧的电流。此外，正如我们在图4中看到的那样，电感器本身两端的电压幅值永远不会像负载电路两端的电压那样高。因此，通过电感器的电流更高。

升压转换器电感器电压（绿色）与负载电路两端电压（红色）的LTspice呈现。

•图4。图1中升压转换器的电感器两端的电压（绿色）与负载电路两端的电压（红色）。

能量传输

我们可以通过考虑能量而不是电压和电流，使这条推理路线在数学上更加稳健。图5显示了电感器两端的电压乘以电感器电流。电感器的串联电阻设置为零，这意味着电感器不消耗能量；轨迹因此传送电感器正在存储和释放的能量的量。

升压转换器电感器随时间的储能，以LTspice表示。

•图5。升压转换器电感器随时间的储能。

提示：如果在点击相关组件的同时按住ALT键，LTspice会自动生成这样的功率图。

现在我们将使用LTspice来显示绝对值，这样正能量和负能量就不会互相抵消（图6）。

升压转换器电感随时间变化的储能绝对值，以LTspice表示。

•图6。升压转换器电感器随时间变化的储能绝对值。

接下来，我们要评估流过电感器的能量的平均值（图7）。

升压转换器电感的平均能量，以LTspice表示。相关值位于叠加在图6中绘图上的光标框中。

•图7。升压平均能量。

提示：如果按住CTRL键同时单击图形顶部的跟踪表达式，LTspice将计算跟踪的平均值。

从中我们可以看出，通过电感器的能量流与传输到负载的功率相似。

根据LTspice，开关消耗的平均功率为38mW，二极管消耗的平均功率为34mW。如果我们将这些值加到负载功率中，我们得到以下值：

出现约70 mW差异是因为电感器电流流过开关（充电阶段）和二极管（放电阶段）时会失去一些功率。

下一篇

了解电感电流的细节，特别是电流纹波的大小，可以帮助减少在SMPS设计过程中经常出现的混淆。我们将在下一篇文章中查看更多的电流和电压波形，直到那时为止，我希望本文已经阐明了升压转换器中的电感电流如何与电路的电气行为的其他方面相关。