為DC/DC轉換器選擇最佳電感器

作者： LEN CRANE，Coilcraft, Inc.技術營銷總監(jiān)

雖然 DC/DC 轉換電路已經成熟到可以使用“食譜”設計輔助工具和軟件來提供幫助，但選擇正確的功率電感器是轉換器設計的一個關鍵方面。這需要充分了解電感器性能以及所需的電路內性能與供應商數(shù)據(jù)表中提供的信息之間的關系。

可用于 DC/DC 轉換器的電感器有多種形狀和尺寸（圖 1）。為了比較類型并為應用選擇最佳部件，設計人員必須依靠正確理解已發(fā)布的規(guī)范。

圖 1：電感器有多種形狀和尺寸：薄型可實現(xiàn)薄型轉換器設計。

電感器性能可以用相對較少的數(shù)字來描述。用于 DC/DC 轉換器的表面貼裝功率電感器的典型數(shù)據(jù)表摘錄如下所示（表 1）。

表 1：表面貼裝功率電感器的典型數(shù)據(jù)表摘錄。

電感：根據(jù)表 1，電感 (L) 是提供所需電路功能的主要參數(shù)，并且是大多數(shù)設計程序中要計算的第一個參數(shù)。計算它以提供一定的最小能量存儲量（或伏-微秒容量）并減少輸出電流紋波。使用小于計算的電感會導致直流輸出上的交流紋波增加。使用大得多或小得多的電感可能會迫使轉換器在連續(xù)和不連續(xù)操作模式之間切換。

由于數(shù)據(jù)表顯示所有可能的工作條件集的性能是不切實際的，因此了解額定值如何隨不同工作條件而變化是很重要的。

公差：幸運的是，大多數(shù) DC/DC 轉換器應用不需要非常嚴格的公差電感來實現(xiàn)這些目標。與大多數(shù)組件一樣，選擇標準公差部件具有成本效益，并且大多數(shù)轉換器要求允許這樣做。表 1中的電感器 指定為 ±20%，適用于大多數(shù)轉換器應用。

測試條件：這些很關鍵，設計人員需要特別注意電壓、波形和測試頻率。例如，大多數(shù)目錄電感額定值都基于“小”正弦電壓，而使用正弦電壓是標準儀器測試條件。關于頻率，大多數(shù)功率電感器在 20 kHz 和 500 kHz 之間變化不大，因此經常使用基于 100 kHz 的額定值并且是合適的。然而，電感最終會隨著頻率的增加而減小。隨著開關頻率增加到 500 kHz、1 MHz 及以上，根據(jù)實際應用頻率考慮額定值變得更加重要。

直流電阻 (DCR)：這嚴格基于導線直徑和長度，并在目錄中指定為“最大值”，但也可以指定為帶有公差的標稱值。DCR 隨溫度而變化，因此 DCR 額定值還應注意環(huán)境測試溫度，這一點很重要。銅的電阻溫度系數(shù)約為每攝氏度 +0.4%。因此，所示部件的最大額定值為 0.009 Ω 在 85°C 時必須具有對應的最大額定值為 0.011 Ω — 在這種情況下只有 2-mΩ 的差異，但總變化約為 25%。顯示了預期的 DCR 與溫度的關系（圖 2）。

圖 2：基于 0.009 Ω（最大值）在 25°C 時的預期 DCR 與溫度曲線。

交流電阻：電感器數(shù)據(jù)表中通常不顯示，除非工作頻率或電流的交流分量相對于直流分量很大，否則通常不會引起關注。

當試圖最小化元件的尺寸時，設計者應該盡量選擇電阻最大的元件。通常，減少 DCR 意味著必須使用更大的電線，并且可能需要更大的整體尺寸。因此，優(yōu)化 DCR 選擇意味著在功率效率、組件上允許的壓降和組件尺寸之間進行權衡。

自諧振頻率 (SRF)：每個電感繞組都有一些相關的分布電容，它與電感一起形成具有自然自諧振頻率的并聯(lián)諧振回路。對于大多數(shù)轉換器，最好在遠低于 SRF 的頻率下運行電感器。這通常在電感數(shù)據(jù)中顯示為“典型”值。

電流額定值：這可能是指定功率電感器時最困難的額定值。流經 DC/DC 轉換器電感器的電流在整個開關周期中始終在變化，并且可能會根據(jù)轉換器的運行情況在各個周期之間發(fā)生變化，包括由于負載或線路突然變化導致的臨時瞬態(tài)或尖峰。這給出了一個不斷變化的電流值，有時具有非常高的峰均比。使規(guī)范變得困難的是峰均比。尋找具有兩種電流額定值的電感器：一種用于處理峰值電流可能導致的磁芯飽和，另一種用于解決由于平均電流而可能發(fā)生的發(fā)熱問題。

飽和電流 (Isat)：電流通過電感器的一種影響是磁芯飽和。通常，DC/DC 轉換器具有帶有 DC 分量的電流波形。通過電感器的直流電流使磁芯偏置，并可能導致磁通量飽和。設計人員需要了解，當這種情況發(fā)生時，電感會下降并且組件不再用作電感器。顯示了帶間隙鐵氧體磁芯的典型 L 與電流曲線（圖 3）。

圖 3：帶間隙鐵氧體磁芯的典型 L 與直流偏置電流曲線，顯示電流飽和點。

可以看出，隨著電感器進入飽和區(qū)，該曲線具有“拐點”。因此，飽和開始的定義有些武斷，必須加以定義。在表 1的示例中，飽和定義為電感下降 10% 的點。10% 至 20% 范圍內的定義很常見，但應注意，某些電感器目錄可能使用 50% 電感降的數(shù)字。這增加了電流額定值，但就可用電流范圍而言可能會產生誤導。

雖然關于這個話題還有很多話要說，但只要說通常希望在接近飽和額定值的電流峰值下工作就足夠了，因為這樣可以選擇盡可能小的電感器。

RMS 電流 (Irms)：電流的第二個主要影響是組件自發(fā)熱。Irms 用于衡量多少平均電流可以連續(xù)流過部件，同時產生的溫升低于規(guī)定的溫升。在這種情況下，數(shù)據(jù)表通常會根據(jù)直流或低頻交流電流的應用提供額定值，因此這不包括由于集膚效應或其他高頻效應而可能發(fā)生的發(fā)熱。如示例中所示，可以針對單個溫升點顯示電流額定值，或者一些供應商提供有用的溫升與電流或可用于計算任何電流溫升的因素的圖表。

自發(fā)熱引起的溫升可能會導致電感器的溫度高于額定范圍。如果不超過絕緣額定值，這通常是可以接受的。

與其他參數(shù)一樣，了解電感溫升也很重要，以便在進行設計選擇時可以與其他參數(shù)進行權衡。如果需要較低的溫升，則最有可能的答案是更大尺寸的組件。

結論可以看出，用于 DC/DC 轉換器的電感器可以用少量參數(shù)來描述。但是，每個評級都可以被認為是基于一組操作條件的“快照”，可能需要增強這些操作條件以完全描述應用條件下的預期性能。
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