細說Buck的輸出電感

我們在選擇Buck變換器的輸出電感時，需要重點考慮的電感的參數(shù)包括：等效直流電阻 DCR（影響效率），電感值（影響紋波電流）和額定電流。

1.?電感的DCR的選擇

電感的的等效直流電阻R(DCR)自身會消耗一部分功率，使開關(guān)電源的效率下降，更要命的是這種消耗會通過電感升溫的方式進行，這樣又會降低電感的感值，增大紋波電流和紋波電壓，所以對開關(guān)電源來講，應(yīng)根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊提供的DCR典型值或最大值的基礎(chǔ)上，盡可能選擇DCR小的電感。

當(dāng)輸入電壓、負載電流、輸出電壓已經(jīng)被給定的情況下，DCR越大，電感上的損耗越大，電源的效率越低。對于一般的電感器件來講，有以下幾個特點。

l 電感直流電阻對于效率的影響，重載時比輕載明顯。

l 電感值給定的情況下，電感器件的外型越小DCR越大。

l 在電感外型大小給定的情況下，電感值越大DCR越大。

l ?在電感值一定的情況下，有磁屏蔽的電感器件的DCR小于沒有磁屏蔽的。

1. ?電感感值的選擇

計算出正確的電感值，對選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。

可以看出，流過開關(guān)電源電感器的電流由交流和直流兩種分量組成，因為交流分量具有較高的頻率，所以它會通過輸出電容流入地，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出紋波電壓是紋波電流與電容上等效串聯(lián)電阻的組織的乘積：ΔV=ΔI×ESR[m1]?。這個紋波電壓應(yīng)盡可能低，以免影響電源系統(tǒng)的正常操作，一般要求峰峰值為輸出電壓的2%~5%，或者某一個絕對值：10mV~500mV。

紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設(shè)定為最大輸出電流的10%~30%，因此對于Buck電源來說，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%，所以在功率路徑中需要按照輸出電流Iout的115%評估電流的瞬態(tài)值。

在開關(guān)管開關(guān)的過程中，一個開關(guān)周期中，在輸入輸出電壓確定的前提下，電感上電流的變化的幅度大小，是由電感的感值決定的，如圖5.19所示。

圖5.19 電感電流波形圖

電感的歐姆定律應(yīng)用：電流的變化量，是電感兩端的壓差除以電感值，在時間上的積分，計算所得：

在開關(guān)管開關(guān)的過程中，0-t1的時間段：

當(dāng)開關(guān)關(guān)斷時，同樣用電感的歐姆定律，如圖5.19所示， t2-t1中電流增量為：

由上面公式可知，電感的感值越大，輸出紋波電流就越小。但帶來問題是動態(tài)響應(yīng)（response time）變慢。如果電感感值較小，如果想輸出電壓的紋波也小，就需要提高開關(guān)頻率，這樣MOS管上的開關(guān)損耗就增加，電路效率下降。

1. ?電感額定電流的選擇

功率電感器的額定電流有"基于自我溫度上升的額定電流"和"基于電感值的變化率的額定電流"兩種決定方法，分別具有重要的意義。"基于自我溫度上升的額定電流"是以元件的發(fā)熱量為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超出該范圍使用時可能會導(dǎo)致元件破損及組件故障。

與此同時，"基于電感值的變化率的額定電流"是以電感值的下降程度為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超出該范圍使用時可能會由于紋波電流的增加而導(dǎo)致IC控制不穩(wěn)定。 此外，根據(jù)電感器的磁路構(gòu)造的不同，磁飽和的傾向（電感值的下降傾向）有所不同。如圖5.20所示是不同磁路構(gòu)造電感器的電感值隨電流值的變化。對于開磁路類型，隨著直流電流的增加，到規(guī)定電流值為止呈現(xiàn)比較平坦的電感值，但是，超過飽和電流之后，電感值急劇下降。相反，閉磁路類型隨著直流電流的增加，透磁率的數(shù)值逐漸減少，因此電感值緩慢下降。

功率電感規(guī)格書中對額定電流參數(shù)僅注明介質(zhì)的飽和電流Isat值。

2）Isat與Irms的區(qū)別

Isat與Irms是我們工程人員常常會碰到的技術(shù)術(shù)語，但時常將兩者混淆，造成工程技術(shù)上的錯誤。Isat與Irms兩者分別表示什么，中文又是指什么? Isat與Irms兩者如何定義，它們與哪些因素有關(guān)?我們在電感設(shè)計時，如何定義?

Irms：是指電感產(chǎn)品的應(yīng)用額定電流，也稱為溫升電流，即產(chǎn)品應(yīng)用時，表面達到一定溫度時所對應(yīng)的DC電流。

Isat：是指磁介質(zhì)的飽和電流。磁飽和是磁性材料的一種物理特性，指的是導(dǎo)磁材料由于物理結(jié)構(gòu)的限制，所通過的磁通量無法無限增大，從而保持在一定數(shù)量的狀態(tài)。

假定有一個電感，通上一個單位電流的時候，產(chǎn)生的磁場感應(yīng)強度是1，電流增加到2的時候，磁感應(yīng)強度會增加到2.3，電流是5的時候，磁感應(yīng)強度是7，但是電流到6的時候，磁感應(yīng)強度還是7，如果進一步增加電流，磁感應(yīng)強度都是7不再增加了，這時就說，電磁鐵產(chǎn)生了磁飽和。電感作為一個繞在磁性上的線圈，其特性一定會收到磁飽和的限制：表現(xiàn)為電流增大到一等程度之后，電感值就會急劇下降，如圖5.20所示。我們把電感值因為磁飽和而導(dǎo)致的電感值下降，下降到一定值，如標(biāo)稱值的20%時的電流，標(biāo)記為：磁飽和電流Isat。

對于電感，即電感下降到一定比例后的電流大小，如SRI1207-4R7M產(chǎn)品，電感下跌20%的電流為8.4A，則Isat=8.4A。

審核編輯：湯梓紅