每个SMPS通过在电感器中存储能量并利用脉宽调制（PWM）技术来获得期望的输出来工作。这些转换器的指导原则是伏秒平衡定律，该定律规定，当在稳态下工作时，在一个周期内，电感器的平均电流必须为零。这意味着电感器必须在另一个周期开始之前将其存储在充电阶段的所有电流放电。

本文使用降压转换器来演示常见的设计错误。降压转换器的功率级由四个组件组成：电感器、输出电容器、由开关表示的顶部FET和由二极管表示的底部FET（见图1）。
 

图1：简化的降压转换器功率级
 
电感器两端的电压由以下公式给出：VL=L diL/dt。该电压是开关节点与输出电压的差值。当顶部FET导通时，VL是输入电压和输出电压之间的差。当顶部FET关闭时，由于开关节点接地，因此差值为0V减去输出。diL/dt（或∆iL）是电感电流随时间的变化，通常称为电感电流纹波。当顶部FET闭合（而底部FET打开）时，随着通过电感器的电流增加，电感器以磁通量的形式存储能量。当顶部FET打开且磁场崩溃时，底部FET形成接地路径，允许电流在负载减少时仍流向负载。输出电容器用于平滑输出纹波并帮助维持所需的输出电压。降压转换器的输出电压由VOUT=DVIN给出，其中D是占空比，并定义为顶部FET导通并对电感器充电的总周期中的时间百分比。
在设计SMPS时，必须选择正确的电感器值，以确保可接受的电感感器电流纹波（∆iL）。建议降压转换器的电感器纹波应在所施加负载电流的30%至40%之间。该范围被认为是最佳的，因为它足够大以捕获并向电流模式控制反馈系统传递准确的信号，但又不太大以使电源进入不连续导通模式（DCM）。DCM是电流纹波过大的状态，迫使电流低于0A以将负载电流保持在所需值。然而，一旦达到0A，FETS内部的二极管就不再导通，从而防止电流降至0A以下。选择正确电感器的一般方法可以通过以下公式获得：
 

该公式表明，开关频率和电感成反比，这意味着在更高的频率下，充电时间减少，允许使用更小的电感器进行正确操作（节省占地面积和成本）。

饱和电感器

SMPS设计中最常见和灾难性的错误之一是在选择功率电感器时忽略了电流饱和额定值。当通过电感器的电流超过饱和电流额定值时，电感器芯铁芯和，这意味着产生的磁场将不再与汲取的电流成比例增加。这破坏了伏-秒平衡定律，导致电感器电流纹波和输出电压纹波的线性特性损失。当铁芯饱和时，它会迅速失去电感，表现得更像电阻器而不是电感器。由于电感器的有效串联电阻（ESR）增加，而实际电感减少，因此电流的变化被迫增加以满足伏秒平衡。在饱和电流波形中观察到的峰值是由于电流斜率的指数增加。这种电流峰值传递到输出电压，导致更多的噪声和电压尖峰。如果电压尖峰过多并超过下游组件的最大额定电压，则噪声和电压尖峰可能会损坏下游组件，并降低EMI性能。
此外，在高电流波动的情况下，电感器经历快速的磁滞损耗，导致电感器的过多散热以及可听噪声。这种过多的热量会损坏附近的其他部件，尤其是稳压器芯片。
电感器的额定电流应至少是预期最大电流的两倍。在计算最大电流时，重要的是要考虑电感器电流纹波以及从输出中提取的负载电流。电感器数据表将显示在什么电流下，电感会下降其原始值的10%至30%，这就是定义饱和的地方。选择具有适当饱和电流额定值的电感器将导致系统正常运行，如图2中通过电感器的线性电流所示。输出电压尖峰将消失，如图3所示。最后，该系统将在低得多的温度下运行，从而减少对器件的应力并提高器件的寿命。
 

图2：标称电感器电流波形
 

图3：标称电感输出纹波
 
为了解决这个问题，应该选择将提供大约30%到40%的电流纹波的电感器。这样做将降低电感器电流纹波的大小，并将器件从DCM带回CCM，如图6所示。这也将改善输出电压纹波并消除电压尖峰。
 

尺寸过小电感器的并发症

更小的电感器节省了占地面积。然而，如果电感器太小，则纹波电流将很大，并且将迫使转换器进入DCM，这对于SMPS来说是不希望的，因为该器件将效率较低并且显示出较差的EMI性能。这种降低的EMI性能可以在开关节点中出现振铃时看到，这是由寄生效应和LC谐振回路（产生谐振电路）引起的，如图4所示。这种振铃将传递到输出电压中，导致更大的纹波和更多的电压尖峰，如图5所示。此外，电源不再处于连续导通模式（CCM），并且导出的SMPS输出公式不再适用。
 

图4：电感器输出波形尺寸过小。如果电感器电流不可访问，也可以在开关节点中观察到振铃。
 

图5：电感器电流波形尺寸过小。电流和RSENSE中的振铃表示电源处于DCM。
 

图6：标称电感器电流波形
 

超大电感器的并发症

连接到SMPS的下游电子器件通常具有相关容差的指定电源电压。如果电压轨上的纹波过大，将严重影响系统的运行。设计者经常试图减轻这种波动的一种方法是增加电感器的尺寸。然而，如果电感器的尺寸太大，则电流纹波与输出电压纹波一起显著降低。尽管这听起来很可取，但它会导致反馈系统出现问题，也可能导致瞬态响应慢得多。一个小的纹波将使串联感测电阻器极难检测到变化，从而使通常传递到反馈回路的三角波形失真。当电感器电流纹波小时，信噪比（SNR）恶化。这导致反馈回路将噪声记录为来自电感器的信号，导致输出端出现不必要的不稳定性，表现为抖动，如图7所示。
 

图7：抖动是由输出的不稳定性引起的。具有持续特征的波形是过大的电感器输出波形。使用标称电感器捕获高亮显示的波形。
 
此外，对于较高值的电感器，饱和电流额定值通常较小。这可能导致电感器饱和，这对器件来说是危险的，如电感器的饱和部分所述。在图8中可以看到使超大电感器饱和的效果。
 

图8：电感器的饱和电感器输出波形为标称值的22倍。额定电流不随电感成比例增加
 
为了缓解这个问题，可以通过改变所选择的输出电容器来控制输出电压纹波。通过增大输出电容器的值或减小其ESR，可以在不必增大电感器的值的情况下减小输出电压纹波。这将允许电感器电流纹波保持在30%和40%之间的值，允许感测架构正确地获取信号。
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