如何在設(shè)計(jì)新型 DC/DC 變換器時(shí)預(yù)測(cè)電感性能

消費(fèi)類應(yīng)用是現(xiàn)代 DC/DC 變換器需求的主要驅(qū)動(dòng)力。 在這類應(yīng)用中，功率電感主要被用于電池供電設(shè)備、嵌入式計(jì)算，以及高功率、高頻率的 DC/DC 變換器。了解電感的電氣特性對(duì)于設(shè)計(jì)緊湊型、經(jīng)濟(jì)型、高效率、并具備出色散熱性能的系統(tǒng)至關(guān)重要。

電感是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的元件，它由纏繞在線圈中的絕緣線組成。但當(dāng)單個(gè)元件組合在一起，用來創(chuàng)建具有適當(dāng)尺寸、重量、溫度、頻率和電壓的電感，同時(shí)又能滿足目標(biāo)應(yīng)用時(shí)，復(fù)雜性就會(huì)增加。

選擇電感時(shí)，了解電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明的電氣特性非常重要。 本文將提供指導(dǎo)，幫助您為解決方案選擇合適電感，同時(shí)闡明如何在設(shè)計(jì)新型 DC/DC 變換器時(shí)預(yù)測(cè)電感性能。

電感是什么？

電感是一種電路元件，它可以在自身磁場(chǎng)中儲(chǔ)存能量。電感通過儲(chǔ)存將電能轉(zhuǎn)換為磁能，然后向電路提供能量以調(diào)節(jié)電流。當(dāng)電流增加，磁場(chǎng)就會(huì)增強(qiáng)。圖 1 展示了電感模型。

圖1: 電感的電氣模型

電感是采用絕緣線繞成線圈形成的。線圈可以是不同的形狀和尺寸，也可以使用不同的芯材纏繞。

電感的大小則取決于匝數(shù)、磁芯尺寸和磁導(dǎo)率等多種因素。圖 2 顯示了關(guān)鍵的電感參數(shù)。

圖2: 電感參數(shù)

表 1 顯示了如何計(jì)算電感 (L)。

表1: 計(jì)算電感(L)

下面，我們將詳細(xì)描述常見的電感參數(shù)。

磁導(dǎo)率

磁導(dǎo)率是材料響應(yīng)磁通量的能力，也表明了在施加的電磁場(chǎng)中有多少磁通量可以通過電感。表2顯示了磁導(dǎo)率對(duì)磁通密度（B）的增強(qiáng)。

表 2：計(jì)算磁通密度 (B)

從表 2可以看出，磁通量的濃度取決于磁芯的磁導(dǎo)率和尺寸。

圖 3 顯示了一個(gè)沒有磁芯的線圈。

圖3: 空心線圈

空心線圈的磁導(dǎo)率為常數(shù)值（μr air），大約等于 1。

圖 4 顯示了一個(gè)帶磁芯的電感。當(dāng)然，有磁芯時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)增強(qiáng)。

圖4: 帶磁芯的電感

不同磁芯材料的典型磁導(dǎo)率不同。 表 3 列出了三種不同芯材的磁導(dǎo)率。

表 3：磁芯磁導(dǎo)率

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電感值 (L)

電感將感應(yīng)的電能存儲(chǔ)為磁能的能力通過電感值來體現(xiàn)。在開關(guān)輸入電壓驅(qū)動(dòng)電感的同時(shí)，電感要為輸出負(fù)載提供恒定的直流電流。

表 4 顯示了電流和電感電壓之間的關(guān)系。 可以看出，電感兩端的電壓與電流隨時(shí)間的變化成正比。

表 4：計(jì)算電感壓降

首先，確定設(shè)計(jì)需要的電感范圍。要注意，電感值在整個(gè)工作條件下并不是恒定的， 它會(huì)隨著頻率的增加而變化。因此，對(duì)具有更高開關(guān)頻率的應(yīng)用，需要特殊考量。電感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的頻率下測(cè)試電感，因?yàn)榇蠖鄶?shù) DC/DC 變換器都在此范圍內(nèi)工作。

電阻 (R)

電感的電流電阻會(huì)導(dǎo)致散熱，從而影響效率。總銅損中包含了 RDC 損耗和RAC 損耗。 RDC 與頻率無關(guān)，始終恒定；RAC 則取決于頻率。表 5 顯示計(jì)算 RDC的方法。

表 5：計(jì)算銅線 RDC

降低銅損的唯一方法是增大導(dǎo)線面積，即改用較粗的導(dǎo)線，或使用扁線。采用扁線可以使繞組窗口被完全利用，從而帶來較低的 RDC。表 6 所示為圓線與扁線的橫截面積比較。

表 6：圓形與扁線的橫截面積比較

尺寸	線的類型		比較	橫截面積
直徑1mm	圓線			美元=_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ 0.5___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________美元=0.785毫米____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________美元
1mm x 1mm (寬/厚)	扁線			美元=1美元=1美元=1美元=1美元=1毫米=2美元

表 7對(duì)圓線和扁線的特性進(jìn)行了比較。

表 7：圓線與扁線的特性比較

使用公式 (1) 可以估算電感的直流銅損 (PDC)：

$$P_{DC} = I^2_{DC} times R_{DC}$$

(PAC)銅損則取決于 RAC，它是由頻率驅(qū)動(dòng)的鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)引起的。頻率越高，PAC 銅損越高。

磁芯損耗

通常情況下，鐵磁材料已可以滿足磁芯電感所需的磁特性。根據(jù)磁芯材料的不同，電感的相對(duì)磁導(dǎo)率在 50 至 20000 之間。

當(dāng)施加磁場(chǎng)時(shí)，這種材料的磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)； 而沒有磁場(chǎng)時(shí)，磁矩方向是隨機(jī)的。當(dāng)磁能量變化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁芯損耗。磁疇沿磁場(chǎng)方向定向磁矩。隨著磁疇的擴(kuò)大和縮小，部分磁疇會(huì)卡在晶體結(jié)構(gòu)中。一旦卡住的磁疇能夠旋轉(zhuǎn)，能量就會(huì)以熱量的形式消散。

紋波電流 (?IL)

紋波電流 (?IL) 指一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流的變化量。

電感在其峰值電流范圍之外可能無法正常工作。電感的紋波電流通常設(shè)計(jì)為在 IRMS的 30% 至 40% 范圍之內(nèi)。

圖 5 所示為電感電流的波形。

圖5: 電感電流波形

額定電流 (IDC, IRMS)

額定電流是指使電感溫度升高規(guī)定的量所需的直流電流。溫升 (ΔT) 不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，但通常在 20K 至 40K 之間。

額定電流在環(huán)境溫度下測(cè)量得到。其值通常在電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供，是最終應(yīng)用的預(yù)期電流值。對(duì)于環(huán)境溫度較高的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇自熱溫度較高的電感。

圖 6 體現(xiàn)了溫升與額定電流之間的關(guān)系。該曲線可用于確定任意溫升對(duì)應(yīng)的電流值。

圖6: 電感的額定電流曲線

在一個(gè)應(yīng)用中，工作溫度 (TOP) 由環(huán)境溫度 (TAMB) 和電感的自熱值 (ΔT)決定。TOP 可以通過公式 (2) 來估算：

給定額定電流是估計(jì)電感溫升的最佳方法。溫升還受電路設(shè)計(jì)、PCB 布局、與其他組件的接近程度以及走線尺寸和厚度的影響。電感芯體和繞組中產(chǎn)生的過量交流損耗也可能導(dǎo)致額外的熱量。

如果需要較低自發(fā)熱，則需選用封裝尺寸較大的電感。

飽和電流 (ISAT)

飽和電流額定值是指，在標(biāo)稱電感下降規(guī)定的百分比之前，電感可以支持的直流電流。

每個(gè)電感的參考百分比電感下降值都是唯一的。通常，制造商將該值設(shè)置在 20% 到 35% 之間，這會(huì)使電感的比較變得很困難。但數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)提供一條曲線，顯示電感如何隨直流電流變化。利用這條曲線可以衡量整個(gè)電感范圍，以及它如何響應(yīng)直流電流。

直流飽和電流取決于溫度和電感磁性材料及其磁芯結(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)和磁芯都會(huì)影響ISAT值。

鐵氧體磁芯是最常見的，其特點(diǎn)是具有硬飽和曲線（見圖 7）。確保電感不會(huì)在感量下降點(diǎn)之外工作至關(guān)重要；因?yàn)槌^該點(diǎn)，感量會(huì)急劇下降，功能性也會(huì)降低。

合成塑封電感在溫度變化時(shí)感量下降穩(wěn)定，具有軟飽和特性。由于其感量逐漸下降，因此可以為設(shè)計(jì)人員提供了更大的靈活性和更寬的工作范圍。

圖 7 顯示了兩條飽和曲線。藍(lán)色曲線為典型的合成塑封電感軟飽和示例；紅色曲線為典型的奈日/MnZn 鼓芯電感硬飽和示例。

圖7: 電感飽和電流曲線

小感量（或大封裝尺寸）的電感可以處理更高的飽和電流。

自諧振頻率和阻抗

電感的自諧振頻率 (fR) 是電感與其自電容諧振的最低頻率。在諧振頻率之下，阻抗處于最大峰值，有效電感為零。圖 8 顯示了電感的電路模型。

圖8: 電感電路模型

電感在諧振頻率 (fR)之前具有電感特性（如圖 9 中的藍(lán)色曲線所示），因?yàn)轭l率增加，阻抗增高。在諧振頻率下，負(fù)容抗 (XC) 等于正感抗 (XL), ，其值可通過公式 (3) 估算：

超過諧振頻率之后（如圖 9 中的紅色曲線所示），電感則顯現(xiàn)出阻抗減小的電容特性。超過這一點(diǎn)之后，電感也不會(huì)按預(yù)期工作。

圖 9 顯示了感量與頻率之間的關(guān)系。

圖9: 感量和頻率之間的關(guān)系

選擇具有高性價(jià)比的緊湊型電感

了解了電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中每個(gè)參數(shù)的基本含義，就可以很容易地選擇到夠用的電感。 但如果了解了每個(gè)參數(shù)中隱藏的細(xì)節(jié)，就可以為 DC/DC變換器應(yīng)用選擇最理想的電感，同時(shí)預(yù)測(cè)在不同條件下的系統(tǒng)性能。

MPS 可以提供各種功率電感，適用于電源到電源變換器的各種應(yīng)用。尤其是 MPL-SE 半屏蔽式電感系列，其外部使用電磁環(huán)氧樹脂材料，具有更好的導(dǎo)磁特性。

一次成型塑封電感系列則提供軟飽和功能，在高工作溫度下具有更穩(wěn)定的行為。這些一體成型的電感具有低直流和交流電阻，可以處理大電流。而且，塑封結(jié)構(gòu)還降低了交流電和脈沖波頻率產(chǎn)生的可聞噪聲。我們可以根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)來選擇最理想的電感：

當(dāng)高度受限時(shí)，選擇薄型 MPL-AT 塑封電感系列

當(dāng)應(yīng)用需要大電流能力時(shí)，選擇 MPL-AY 塑封電感系列

MPL-AL 塑封電感系列 則更適用于高效率應(yīng)用

MPS 的電感和 DC/DC 電源變換器產(chǎn)品將為您的設(shè)計(jì)提供簡(jiǎn)單而完善的電源解決方案。

結(jié)論

市場(chǎng)上針對(duì)不同應(yīng)用的電感種類花樣繁多，選擇一款最適合的電感不是一件容易的事。例如，感值大的電感可降低 DC 損耗并提高效率，但它們的物理尺寸更大，并且溫度更高。

沒有一款電感是萬能的，了解每個(gè)電感的參數(shù)以及不同參數(shù)之間的關(guān)系非常重要，它可以幫助設(shè)計(jì)人員確定一款電感是否適合特定的 DC/DC 應(yīng)用。MPS 的 半屏蔽式電感 和 一體成型電感選型工具可以幫助您找到理想的電感。

審核編輯：彭菁