1.6 电源树中电流的计算方法(硬件基础系列)

1.6.1 简介

在电路设计过程中，我们常见的电源转换芯片通常可以分为两类：DC-DC电源转换和LDO电源转换。

LDO是线性稳压电源，DCDC是开关稳压电源，二者工作的原理不同。LDO是通过调整管的阻抗变化使输出电压保持稳定，DCDC是通过跳帧管的开关频率或者占空比来控制输出电压稳定。

这两种电源转换方式的优缺点如下：

对比项	LDO	DCDC
优点	稳定性好，负载响应快，输出纹波小。	效率高，输入电压范围较宽
缺点	效率低，输入输出的电压差不能太大。负载不能太大，目前最大的LDO为5A。	负载响应比LDO差，输出纹波比LDO大。

1.6.2 电流的计算

1 LDO电流的计算

此处以TLV73333PQDBVRQ1为例，具体的电路如下图所示：

图1. 32 TLV73333PQDBVRQ1电路

我们在计算电流时，LDO输入电流与输出电流的关系如下：

输入电流I1 = 输出电流I2

即到输出电流为2A时，输入电流也为2A。输出功率为6.6W，输入功率为10W。

2 DCDC电流的计算

此处以TPS54140ADGQ为例，具体的电路如下图所示：

图1.33 TPS54140ADGQ电路

DCDC电路电流的计算公式LDO有所不同，DCDC转换电路输入电流与输出电流的关系，与DCDC芯片的转换效率相关。（后续计算工程将输入电压按照24V计算）

输出功率 = 输入功率 * 转换效率

TPS54140ADGQ的转换效率与输出的电流大小相关。

图1.34 转换效率与输出电流的关系

从原理图可知：DCDC转换电路负载的电流为1.25A，对应于转换效率可知约为83%。

输出功率 = 5V * 1.25A = 6.25 W

输入功率 = 6.25W ÷ 83% = 7.53W

输入电流 = 7.53W ÷24V = 0.3138A

1.4.3 绘制电源树工具

ADI提供了一个绘制电源树特别方便的工具，能极大的减少我们绘制电源树的时间成本，支持一键计算所有参数。

图1.35 电源树

下载地址：https://www.analog.com/cn/design-center/ltpowercad.htmlLTpowerCAD和LTpowerPlanner | 亚德诺半导体 (analog.com)

1.6 DC-DC开关电源中电感选型说明

1.6.1 简介

电感在电路设计过程中应用十分广泛，其在电路中的主要作用有：储能、滤波、扼流、谐振、匹配等。电感的主要的参数见下：

表1.5 电感关键参数

序号	名称	意义
1	电感量L	L越大，储能能力越强，纹波越小，所需的滤波电容也就小。但是L越大，通常要求电感尺寸也会变大，DCR增加，导致DC-DC效率降低，相应的电感成本也会增加。
2	自谐频率f0	由于电感中存在寄生电容，使得电感存在一个自谐振频率。超过此f0是，电感表现为电容效应，低于此f0，电感才表现为电感效应（阻抗随频率增大而增加）。
3	直流电阻DCR	指产品电极之间所用漆包线的总的直流电阻，根据W=I2R，DCR可造成能量损耗，降低DC-DC效率，也是导致电感发热的主要原因。
4	交流电阻RAC	指电感量在指定频率下的电阻值，主要由电感线圈的直流电阻（交流下的集肤效应）、磁芯损耗以及介电损耗等组成，RAC越大，Q值越。
5	饱和电流Isat	通常指电感量下降30%时对应的DC电流值。

1.6.2 计算最小电感量

计算最小电感，将DC-DC转换电路划分为Buck电路和Boost电路进行考虑。

1 Buck电路最小电感值计算

Buck转换电路的，最小电感的计算公式如下：

其中：

表1. 6 参数说明

序号	名称	意义
1	Vin	输入电压
2	Vout	输出电压
3	Fs	开关频率
4	ΔI	电感峰值电流

通常ΔI取额定电流Irat的"1/2"，则上述公式变化如下：

2 Boost电路最小电感值计算

Boost转换电路的，最小电感的计算公式如下：

DC-DC转换电路流过的最大电流Imax，按照ΔI取额定电流Irat的50%,计算公式如下

1.6.3 电感的选择

1 计算电感值

需要根据电感的精度，计算电感值，并且需要留有一定的裕量。

对于精度为20%的电感，若设计的裕量为5%，则需要设计的电感值为：

L = （1+20%+5%）*Lmin

2 标称电感的计算

实际使用的电感会比我们计算出来的电感稍大，我们称为标称电感。

以Boost电路为例，输入电压为4.2V，开关频率为1.2MHz，输出电流为500mA，输出电压为5V，那么需要的电感为：

则：L=2.24μH×1.25=2.8μH，比2.8μH稍大的标称电感为3.3μH，所以DC-DC外部电感选用3.3μH电感。

3 电流计算

确定确认所选择电感的饱和电流Isat要大于Imax，温升电流要大于输出电流。电流要求：

Imax=Iout+1/2×ΔI=Iout+1/4×Iout=1.25×Iout=1.25×0.5A=0.625A

1.6.4 注意事项

电感自谐频率f0需是开关频率Fs的10倍以上。
饱和电流Isat和温升电流Irms中的电流较小值进行设定。
大电流区，DCR起决定性作用，DCR越大，转换效率越低。
叠层电感比绕线电感的散热性好、ESR值更小、成本较低，但耐电流比绕线电感小。
选择带磁屏蔽(屏蔽罩或磁性胶水涂覆)的电感可有效改善EMI。
电感的尺寸：同等标称电感量，尺寸的大小直接影响选材的成本。
电感饱和会导致电流急剧增加，使电感温度升高，并影响其它元件的寿命。

电感的交流参数都是在频率100K的正弦波下所测的，在实际应用中需要通过实测来确认电感是否适合。