電感，只看DCR，飽和電流嗎？

在開關(guān)電源（指D to D電路，即Buck，Boost等直流轉(zhuǎn)直流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）電路的設(shè)計中電感的設(shè)計選型為研發(fā)工程師帶來了許多的挑戰(zhàn)。工程師在選型中，常會關(guān)注的如：電感的感值，直流導(dǎo)通阻抗，電感的電流，里面又分很多種叫法，飽和電流，額定電流，溫升電流等等，再資深些的工程師，會關(guān)注電感的繞線結(jié)構(gòu)，關(guān)聯(lián)到電感的磁力線方向，如何去優(yōu)化EMC等，機(jī)械尺寸，關(guān)聯(lián)到熱阻分布是否均勻等等。更資深的工程師，還會關(guān)注一些電感規(guī)格書標(biāo)定以外的一些參數(shù)，比如ACR，關(guān)聯(lián)到高頻交流損耗，磁芯的矯頑力，剩磁等，關(guān)聯(lián)到一些極限設(shè)計時的耗散功率的損耗等等。絕對大部分的工程師，只關(guān)注了感值，直流導(dǎo)通阻抗，飽和電流。但當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計遇到瓶勁時，卻又不知道問題點(diǎn)出在哪，試了好多方案，興許方向還錯了，拖延了項(xiàng)目研發(fā)周期。以下三體微為你深度剖析電感的選型要點(diǎn)，理解電感的各個參數(shù)要點(diǎn)。

電感的功能

電感常常被理解為開關(guān)電源輸出端中的LC濾波電路中的L（C是其中的輸出電容）。只理解到這個程度還不夠，為了使得電感在設(shè)計中更優(yōu)化，甚至許多場合，發(fā)熱問題和高度問題都聚焦在電感，為了使得整個項(xiàng)目突破限高問題，解決發(fā)熱問題，就必須更深入的了解電感的行為本質(zhì)。

以降壓電源轉(zhuǎn)換（Buck拓?fù)洌┡e例，如圖1。電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。電路中由功率管Q1和功率續(xù)流二極管CR1來回切換進(jìn)行工作，隨著半導(dǎo)體工藝的成熟與技術(shù)演進(jìn)，越來越多的Buck電路CR1已經(jīng)被功率開關(guān)管所取代，但注意，當(dāng)上管與下管都是功率MOS管時，兩個功率管是不允許同時導(dǎo)通的（同時導(dǎo)通的話，此回路阻抗最低，會直接短路，電路會燒毀），必須以合適的死區(qū)時間進(jìn)行管理，使得兩管交替工作，即Q1導(dǎo)通時，Q2斷開，Q2導(dǎo)通時，Q1斷開，必須非常精準(zhǔn)的進(jìn)行同步控制，所以也被稱為同步整流電源轉(zhuǎn)換。

圖1.降壓電源轉(zhuǎn)換基本結(jié)構(gòu)

在狀態(tài)1過程中，電感會通過（上管“high-side”）功率MOS管連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過程中，電感連接到GND。兩個狀態(tài)如圖2。

圖2.Buck電路控制狀態(tài)

現(xiàn)在分析一下在這兩個狀態(tài)下，電感的電流與電壓是如果變化的，如圖3。在狀態(tài)1中，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。在狀態(tài)2中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地（通過CR1或者同步整流構(gòu)架的下管）。輸出電壓為正端，因此會在電感上形成負(fù)向的壓降。

圖3.電感在Buck電路中電流與電感的變化過程

我們利用電感上電壓計算公式：V=L（dI/dt）

我們單獨(dú)拉出其中一個周期做分析，如圖4，當(dāng)電感上的電壓為正時（狀態(tài)1），電感上的電流會增加；當(dāng)電感上的電壓為負(fù)時（狀態(tài)2），電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖2所示：

圖4.電感單個周期的電流狀態(tài)

通過圖4我們可以看到，流過電感的最大電流為DC電流加開關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據(jù)上述的公式，我們可以計算出峰值電流：

其中，ton是狀態(tài)1的時間，T是開關(guān)周期（開關(guān)頻率的倒數(shù)），DC為狀態(tài)1的占空比。

備注：上面的計算是基于各元器件（MOSFET上的導(dǎo)通壓降，電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降）上的壓降對比輸入和輸出電壓是相對可以忽略的簡化公式。

如果，各器件的壓降不作忽略，計算公式會復(fù)雜些：

其中，Rs為感應(yīng)電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導(dǎo)通電阻，R=Rs+Rm。

詳細(xì)講述了某一個周期的電感狀態(tài)的變化，我們開始正式進(jìn)入電感選型的深度解析，我們知道，開關(guān)電路當(dāng)中，在設(shè)計中往往遇到高溫以及高度問題的瓶勁時，電感基本都是聚焦點(diǎn)，那么電感的耗散功率到底有哪些部分組成呢？絕大部分的設(shè)計人員，選型電感時只看重DCR，即電感的直流導(dǎo)通阻抗，但已經(jīng)選擇的較低DCR的電感，還是太燙，那就選一個更大尺寸的電感，希望通過更大的體積，接觸空氣的表面積更多，以及本身熱阻更低來降低溫度，但如果體積與高度不允許的情況下呢，沒有退路了， 必須搞清楚電感的耗散功率到底有哪些部分組成。三體微通過成功經(jīng)驗(yàn)的積累以及大量數(shù)據(jù)分析與你分享以下重要內(nèi)容：

與Pdcr不同，Pdcr的損耗是下面長方形部分的面積，而Pacr是電感電流三角波部分的面積，這里面有兩個變量，首先是電感自身的ACR是隨頻率變化的，即不同的開關(guān)電源，開關(guān)頻率是不同的，如國際型電源芯片廠商，凌力爾特，ADI等，有幾十MHz的電源解決方案，國內(nèi)本土品牌鈺泰科技（ETA）有近10MHz的電源解決方案，當(dāng)然個別應(yīng)用場景為了其他設(shè)計要求，也有只能選擇低頻開關(guān)頻率的電源方案，頻率越高，電感的ACR值會越差，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的線圈，不同的磁芯配方，都會導(dǎo)致不同衰減系數(shù)的ACR。以下是三體微一款用于65W無線充低ACR的成品實(shí)測曲線，在不同頻率下，電感的ACR會發(fā)生明顯的變化。

另外一個重要變量，則是開關(guān)電源的占空比，在不同的占空比下，比如19V轉(zhuǎn)16.8V，其占空比是88.42%，和19V轉(zhuǎn)1V，其占空比是5.26%，占空比不同，電感電流的di/dt完全不同，三角波面積也會完全不同，其對ACR的要求也會完全不同，而以上兩組電源轉(zhuǎn)換，是在筆記本電腦當(dāng)中尤為常見的兩組電壓，分別是給4s電池充電的電路和CPU供電的電路。就拿這兩個常用案例來說，前者，三體微推薦SCHB1040-2R2M，該系列將優(yōu)化點(diǎn)重心放在優(yōu)化DCR上；后者，三體微推薦SCHH0630-R22M，該系列將兼?zhèn)鋬?yōu)化DCR同時優(yōu)化ACR。針對不同應(yīng)用，需要精準(zhǔn)判斷尋找適合的解決方案。

另外，關(guān)于Pcore，這基本都是全球頭部電感供應(yīng)商的核心技術(shù)，core是電感磁芯的意思，在一體成型電感當(dāng)中，即磁粉原材料用不同的配方，直接影響Pcore的耗散功率，在磁粉的耗散功率中，又由磁滯損耗，剩余損耗和渦流損耗組成，其中占比最大的是磁滯損耗，其他兩部分不作為主要討論對象。

磁芯材料磁化時，送到磁場的能量有2部分，一部分轉(zhuǎn)化為勢能，即去掉外磁化電流時，磁場能量可以返回電路；而另一部分變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。

磁化曲線中陰影部分的面積代表了在一個工作周期內(nèi)，磁芯在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。如上圖可知， 影響損耗面積大小幾個參數(shù)是：最大工作磁通密度B、最大磁場強(qiáng)度H、剩磁Br、矯頑力Hc，其中B和H取決于外部的電場條件和磁芯的尺寸參數(shù)，而Br和Hc取決于材料特性。電感磁芯每磁化一周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大，磁感應(yīng)擺幅越大，包圍面積越大，磁滯損耗越大。三體微有著頂尖的磁粉配方團(tuán)隊，曾于全球頂尖磁性元器件廠商核心配粉專家組工作十余年。其主要突破重心則是降低剩磁，以及矯頑力，從而使得磁滯面積縮小，抑制其在高頻工作時產(chǎn)生的耗散功率，同時在磁粉配方當(dāng)中，三體微專屬的解決方案，可降低成品熱阻特性，使得成品與友商在同樣的效率下，發(fā)熱優(yōu)于其他方案，降低熱系數(shù)，解決發(fā)熱問題。

電感磁芯的飽和度

通過已經(jīng)計算的電感峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會知道，隨著通過電感的電流增加，它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少非常重要，而不僅僅只是看一個飽和電流，如果電感量衰減系數(shù)高，意味著過飽和電流后，衰減極具，反之則有較為平緩的下降幅度，可以應(yīng)用短時間大電流的特殊應(yīng)用場景。要知道，如果在負(fù)載出現(xiàn)微短路狀態(tài)，如果電感徹底飽和，意味著直通，作為降壓電路，高壓直通到負(fù)載，電路會瞬間損壞。以三體微SCCT系列和SCHT系列舉例，其磁衰非常緩慢，針對某些場景，需要特別高的飽和電流，甚至應(yīng)用時個別狀態(tài)會使得電感處于高磁飽狀態(tài)的，是非常適合推薦的。

可以對比一下市面上抗磁衰普通的電氣性能

有非常多的應(yīng)用場景，電感的選型著實(shí)讓工程師絞盡腦汁，三體微專注于開發(fā)頂尖的功率電感產(chǎn)品和方案鉆研，針對實(shí)際應(yīng)用，從整體系統(tǒng)的角度為客戶精準(zhǔn)定位，推薦最為合適的產(chǎn)品，縮短整體研發(fā)周期，歡迎關(guān)注三體微，專業(yè)磁性元器件制造商。