為你的DC-DC轉換器選擇最合適的電感（共5頁pdf下載）

ID:422141 · 發表于 2018-11-7 09:01

概述
要選擇合適的電感就需要充分了解電感性能以及想要達到的內部電路性能與供應商數據表中的信息有何關聯。此文為經驗豐富的功率轉換專家和非專業人員講解電感目錄和重要規格。

介紹
DC-DC 轉換器的使用越來越普遍了。由于電子系統越來越小型化、移動化、復雜化和受歡迎，功率要求也就變得多樣化了。可用的電池電壓、要求的工作電壓、尺寸和形狀要求不斷地在改變，這就使設備設計人員需要不停地尋找新的功率轉換解決辦法。產品要求通常會促使性能改進和尺寸減縮，因此最優化是極其重要的。對于功率轉換，“一體適用”并不適合所有應用。例如，圖 1 所示的薄型元件需求量大。

不但轉換器的市場購買增長，而且許多電路設計人員現在都會設計他們自己的 DC-DC 轉換電路，而不用依靠電源專業公司。這就使選用元件的電路設計人員增加。基礎的 DC-DC 轉換電路是非常成熟的技術并且發展相當緩慢。正因為如此，作者制訂的設計輔助手冊是相當實用和有用的，借助于它，設備設計人員就能夠進行他們自己的轉換器設計。推動這些設計的軟件也很容易獲取 1。
在確定電路拓撲后，設計的關鍵任務之一是選擇元件。很多電路設計程序會列出所要求的元件參數值設計人員的任務就是從明確要取得的電感值到選取一個可用的元件以開展工作。能夠用于 DC-DC 轉換器的電感形狀和尺寸繁多。圖 2和 3顯示了可能使用的兩種電感形狀。為了對比類型和選擇最理想的應用元件，設計人員必須正確地理解所公布的規格。

DC-DC轉換器要求
簡單地說，DC-DC 轉換器的功能就是在給定的輸入電壓下提供穩定的直流輸出電壓。在給定的負載電流范圍和/或輸入電壓范圍下，轉換器通常需要調節直流輸出電壓。最理想的是，直流輸出是“純凈的”，即紋波電流或電壓低于規定的水平。此外，負載功率要來自于規定效率的電源。要實現這些目標，功率電感的選擇是一個重要的步驟。

功率電感參數

電感性能可以用一些數字來說明。表 1 顯示的是用于 DC-DC 轉換器中的一個表貼功率電感的典型數據表摘錄。

要正確地使用額定值就必須理解它們是如何得來的。由于數據表不可能顯示所有工作條件下的性能，這就有必要了解額定值在不同的工作條件下是如何變化的。

電感值 (L)
電感值是實現所需電路功能的主要參數，也是大多數設計程序中第一個要計算的參數。計算的電感值要能夠提供最小的能量儲存（或伏特-微秒容量）以及減少輸出電流紋波。使用小一點的電感值會增加直流輸出的交流紋波。使用太大或太小的電感值可能會使轉換器在連續與非連續運行模式之間變化。公差大多數 DC-DC 轉換器的應用對電感公差沒有特別嚴格的要求。對于大多數元件來說，選擇標準公差產品合乎成本效益，并且能夠滿足絕大多數轉換器的要求。表 1 的電感公差是±20%，適用于大多數轉換器。

測試條件
■  電壓。額定電感值應說明應用的頻率和測試電壓。大多數目錄額定電感值是基于“小”正弦電壓。對于電感供應商來說，這是最容易且重復性最高的方法，并且給出了適于大多數應用的電感值。
■  波形。正弦電壓是標準的儀表測試條件，通常它能很好地確保取得設計公式計算出的電感值
■  測試頻率。大多數功率電感在 20 kHz ~ 500 kHz 的范圍內不會變化很大，因此經常會使用一個基于 100 kHz 的額定值，而且也比較合適。必須記住的是，隨著頻率增加，電感值最終會減小。這可能是由于所使用的鐵芯材料的頻率響應特性或線圈電感值與其分布電容共振。由于大多數轉換器在 50 kHz ~ 500 kHz的范圍內工作，因此 100 kHz是合適的標準測試頻率。隨著開關頻率增加到500 kHz、 1 MHz 及以上，考慮使用基于實際應用頻率的額定值就更為重要了。

電阻
直流電阻 (DCR)

DCR 只是電感所使用的銅線的一個量度。它嚴格基于銅線直徑和長度。在目錄中通常規定為“最大值”，但也可以規定為帶公差的標稱值。第二種方法通過給出標稱值或預期電阻可能更具指導性，但同時也會不必要地收緊規格，因為產品的電阻太小總不會有壞處。

跟通常為銅材的線圈材料的電阻率一樣，DCR 隨溫度的變化而變化。DCR 額定應考慮環境測試溫度，這是很重要的。銅電阻溫度系數約為每攝氏度+0.4%3。因此，所示的最大額定值為 0.009 Ohms的產品在 85°C 下相應的最大額定值為 0.011 Ohms，只差 2毫歐，但總變化約為 25%。預期直流電阻與溫度關系如圖 4所示。

交流電阻
此參數一般不會在電感數據表中顯示，它通常不是一個問題，除非工作頻率或電流的交流成分比直流成分大。

由于集膚效應，大多數電感線圈的電阻隨工作頻率的增大而增大。如果交流或紋波電流相對于平均或直流電流要小，那么 DCR 是一個很好的電阻損耗度量標準。集膚效應隨銅線直徑和頻率的變化而變化 3，因此，要包含此數據就需要目錄所列的每一電感的完整頻率曲線。

這對低于 500 kHz 的大多數應用來說都是不必要的。從圖 5 可以看出，在低于約 200 kHz 的頻率下，交流電阻不能與直流電阻相比。即使高于這個頻率，如果交流電流不比直流成分大的話，交流電阻也不是一個問題。然而，對高于 200-300 kHz 的頻率，建議向供應商索取損耗與頻率的信息，作為對所公布的信息的補充。如果元件的尺寸要最小化，設計人員應選擇有盡可能大電阻的元件。通常情況下，減小 DCR 意味著必須使用較大的銅線，總體尺寸就可能比較大。因此，優化 DCR 選擇即是功率效率、元件允許的壓降和元件尺寸之間的權衡。

自諧頻率 (SRF)
每個電感線圈都有一些聯帶的分布電容，與電感值一起形成一個有自諧頻率的并聯諧振回路。對于大多數轉換器來說，電感最好是在遠低于 SRF的頻率下工作。這個通常在電感數據中顯示為“典型”值。

電流額定值
在確定一個功率電感時，電流額定值或許是最難確定的額定值。在整個開關循環過程中，通過 DC-DC 轉換器電感的電流總是在變化，并且可能是循環到循環的變化，這取決于轉換器的運作，包括由于突加負載或線路變化而產生的瞬變電流或尖峰電流。這就產生一個不斷變化的電流值，有時具有非常高的峰均比。正是峰均比使規格的確定變得困難。如果用最大瞬時峰值電流作為“電流額定值”來選擇電感是不必要的；但如果用平均電流作為電流額定值來選擇電感，當通過峰值電流時，電感可能不能很好地工作。解決此問題的方法是尋找有兩種電流額定值的電感，一個用來應付因峰值電流導致的鐵芯飽和，一個是解決平均電流的發熱問題。飽和電流電流通過電感的一個影響是鐵芯飽和。DC-DC 轉換器的電流波形一般都有一個直流成分。此直流電流通過電感時偏置鐵芯從而導致其磁通量飽和。設計人員需要知道，當發生飽和時，電感值下降，元件功能也不再表現為電感。圖 6 是一個帶氣隙的鐵氧體磁芯的電感值與電流的曲線圖。可以看到，當電感進入飽和區域時，這條曲線有一個“拐點”。因此，對飽和電流的定義就顯得有些隨意，但必須對其進行定義。在表 1 的例子中，飽和電流被定義為電感值下降 10%時的電流。在 10-20%的范圍內進行定義是很普遍的，但應注意的是，有些電感目錄可能會定義為電感值下降 50%時的電流。這會增大電流額定值，但就電流的可用范圍而言，這可能會引起誤導。

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