功率電感器特性相關的參數相互間存在複雜的權衡關係

 

功率電感器的設計難度在於其特性會隨電流大小或溫度等而發生變化。例如，電感（L）擁有隨電流增大而降低的性質（直流重疊特性），同時，隨著電流增大，溫度會隨之上升，由此磁芯導磁率(μ)及飽和磁通密度（Bs）會發生變化。即使電感值相同
，直流電阻（Rdc）值也會隨繞組的粗細及匝數變化，並且發熱的程度也會有所不同。此外，磁屏蔽結構的差異也會對噪音特性造成影響。

 

此類參數相互之間存在複雜的權衡關係
，從DC-DC轉換器的效率、尺寸以及成本等綜合角度出發選擇最佳的功率電感器十分重要。

 

重點功率電感器的磁性體磁芯分為鐵氧體類與金屬類兩大類

 

功率電感器根據不同工藝可大致分為繞組型、積層型、薄膜型。同時
，磁芯材料使用有鐵氧體類與金屬類磁性體。鐵氧體類磁芯中μ較高，由於高電感、金屬磁性材料磁芯的飽和磁通密度優異，因此適合大電流化。

 

重點功率電感器的額定電流分為直流重疊允許電流與溫度上升允許電流兩種。

 

磁芯變為磁飽和後電感值將會下降。可在非磁飽和狀態下流過的最大電流為直流重疊允許電流（例：相比初始電感值降低40%）。同時，繞組電阻引起的發熱中所規定的為溫度上升允許電流（例：因自發熱導致溫度上升40℃）。一般情況下
，該兩種允許電流中，較小的一方為額定電流。

 

根據負荷大小或頻率不同損耗也會發生變化

 

重(zhong)點(dian)因(yin)為(wei)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)導(dao)致(zhi)的(de)主(zhu)要(yao)損(sun)失(shi)為(wei)繞(rao)組(zu)引(yin)起(qi)的(de)銅(tong)損(sun)以(yi)及(ji)磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)引(yin)起(qi)的(de)鐵(tie)損(sun)繞(rao)組(zu)引(yin)起(qi)的(de)損(sun)耗(hao)稱(cheng)為(wei)銅(tong)損(sun)，磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)引(yin)起(qi)的(de)損(sun)耗(hao)稱(cheng)為(wei)鐵(tie)損(sun)。銅(tong)損(sun)主(zhu)要(yao)為(wei)繞(rao)組(zu)直(zhi)流(liu)電(dian)阻(zu)（Rdc）引起的損耗（直流銅損），其與電流2次方成比例增大。同時
，其擁有頻率越高，交流電流越會集中在導體表麵附近流過

，實際電阻值增加的性質（趨膚效應），在高頻範圍中還加上交流電流引起的銅損（交流銅損）。

 

鐵損主要包括磁滯損耗與渦流損耗。渦流損耗與頻率的2cifangchengzhengbi，yincizaigaopinlvfanweineiwoliusunhaoyinqidecixinsunshihuizengjia。shixiangaoxiaohuadezhongdianzaiyujishizaigaopinfanweineiyexuanzeshiyongcixinsunshijiaoshaodecixincailiao。

 

圖2　功率電感器損耗原因

 

重點中～重負荷時主要為銅損，而輕負荷時則主要為鐵損

 

功率電感器的損耗會因負荷大小而發生變化。中～重負荷時流過電感器的電流中直流偏置電流較大
，因此主要為繞組的直流電阻（Rdc）引(yin)起(qi)的(de)銅(tong)損(sun)。而(er)在(zai)輕(qing)負(fu)荷(he)時(shi)
，由(you)於(yu)幾(ji)乎(hu)不(bu)會(hui)流(liu)過(guo)直(zhi)流(liu)偏(pian)置(zhi)電(dian)流(liu)
，因(yin)此(ci)銅(tong)損(sun)會(hui)下(xia)降(jiang)，但(dan)在(zai)待(dai)機(ji)狀(zhuang)態(tai)下(xia)也(ye)會(hui)有(you)一(yi)定(ding)頻(pin)率(lv)的(de)開(kai)關(guan)工(gong)作(zuo)
，因(yin)此(ci)主(zhu)要(yao)為(wei)磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)的(de)鐵(tie)損(sun)
，從(cong)而(er)效(xiao)率(lv)會(hui)大(da)幅(fu)下(xia)降(jiang)（圖3）。

 

圖3　DC-DC轉換器負荷大小與功率電感器損耗的不同

 

兼顧波紋電流的合理電感值的規定方式十分重要

 

重點非連續模式中的使用會對電源穩定性造成影響

 

降壓型DC-DC轉換器的功率電感器中
，隨著開關器件的ON/OFF，會流過三角波相連的波形的波紋電流（ΔIL）（圖4）。中～重負荷時
，直流偏置電流會與波紋電流重疊
，因此電感器電流不會中斷。這稱為連續模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二極管整流型的DC-DC轉換器在Iout＜1/2ΔILdeqingfuhezhonghuichanshengdianganqidianliubianweilingdeqijian。zhechengweifeilianxumoshi，dianganqidianliuhuifashengzhongduan

，congerhuiduidianyuanwendingxingzaochengyingxiang。tongshi，bianweifeilianxumoshishihuifashengxiaojiao，huozaiyinkaiguanyinqidemaichongzhuangdianyaboxingzhongchanshengzhendang，congerhuichanshengzaoyin。

 

圖4　二極管整流型DC-DC轉換器的連續模式與非連續模式

 

重點設置電感值來使波紋電流變為額定電流的20～30%

 

波紋電流的大小與功率電感器的電感值有關。因此在二極管整流型DC-DC轉換器的設計中


，會通過限製波紋電流來避免因非連續模式導致的問題。功率電感器所需電感值L通過如下公式計算。

 

電感值L=(施加於電感器的電壓/波紋電流)×Ton

 

通tong過guo該gai公gong式shi可ke明ming確que電dian感gan大da小xiao與yu波bo紋wen電dian流liu大da小xiao存cun在zai權quan衡heng關guan係xi。從cong尺chi寸cun與yu成cheng本ben方fang麵mian考kao慮lv而er使shi用yong電dian感gan較jiao小xiao的de功gong率lv電dian感gan器qi時shi

，波bo紋wen電dian流liu會hui增zeng大da。相xiang反fan
，想xiang要yao減jian小xiao波bo紋wen電dian流liu時shi則ze需xu要yao較jiao大da的de電dian感gan，其qi不bu僅jin會hui對dui尺chi寸cun及ji成cheng本ben方fang麵mian造zao成cheng不bu利li，同tong時shi在zai後hou述shu負fu荷he急ji劇ju變bian化hua時shi的de過guo渡du響xiang應ying特te性xing也ye會hui變bian差cha。因yin此ci在zai通tong常chang情qing況kuang下xia，應ying設she置zhi電dian感gan值zhi來lai使shi波bo紋wen電dian流liu變bian為wei額e定ding電dian流liu的de20～30%(額定電流的10%左右時不連續)（圖5）。

 

圖5　波紋電流與電感值的關係

 

重點通過合理降低電感值可改善負荷響應特性

 

在zai負fu荷he劇ju增zeng等deng情qing況kuang下xia
，輸shu出chu電dian壓ya會hui下xia降jiang，為wei進jin行xing恢hui複fu
，功gong率lv電dian感gan器qi中zhong會hui短duan時shi間jian流liu過guo過guo大da的de峰feng值zhi電dian流liu，用yong以yi對dui負fu荷he電dian流liu與yu輸shu出chu電dian容rong器qi進jin行xing充chong電dian。在zai波bo紋wen電dian流liu較jiao小xiao的de設she置zhi下xia
，可ke能neng會hui無wu法fa得de到dao為wei了le立li即ji從cong輸shu出chu電dian壓ya大da幅fu下xia降jiang狀zhuang態tai下xia恢hui複fu所suo需xu的de過guo渡du響xiang應ying特te性xing。因yin此ci需xu要yao采cai取qu降jiang低di電dian感gan值zhi來lai增zeng大da波bo紋wen電dian流liu的de方fang法fa。如ru圖tu6所suo示shi
，若ruo負fu荷he響xiang應ying特te性xing較jiao差cha，則ze輸shu出chu電dian壓ya將jiang會hui大da幅fu降jiang低di

，但dan通tong過guo合he理li降jiang低di電dian感gan值zhi增zeng大da波bo紋wen電dian流liu，則ze電dian感gan器qi電dian流liu變bian化hua將jiang會hui變bian大da，電dian壓ya下xia降jiang幅fu度du將jiang會hui減jian少shao
，恢hui複fu將jiang會hui更geng快kuai。但dan降jiang低di電dian感gan值zhi時shi
，在zai綜zong合he考kao慮lv平ping衡heng的de情qing況kuang下xia進jin行xing設she置zhi十shi分fen重zhong要yao。

 

圖6　降低電感值時的過渡響應特性改善效果

 

重點為應對負荷急劇變化時發生的峰值電流
，將電流峰值設置為過電流設置值的110~130%

在開關器件及控製電流等模塊化的電源IC中(zhong)內(nei)置(zhi)有(you)過(guo)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)。過(guo)電(dian)流(liu)設(she)置(zhi)值(zhi)及(ji)檢(jian)測(ce)方(fang)法(fa)等(deng)有(you)多(duo)個(ge)種(zhong)類(lei)
，在(zai)選(xuan)擇(ze)外(wai)接(jie)的(de)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)時(shi)需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)考(kao)慮(lv)過(guo)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)。相(xiang)對(dui)於(yu)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，若(ruo)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)的(de)允(yun)許(xu)電(dian)流(liu)無(wu)充(chong)分(fen)冗(rong)餘(yu)
，則(ze)可(ke)能(neng)會(hui)因(yin)過(guo)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)工(gong)作(zuo)而(er)引(yin)起(qi)輸(shu)出(chu)停(ting)止(zhi)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，流(liu)過(guo)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)的(de)電(dian)流(liu)峰(feng)值(zhi)設(she)置(zhi)為(wei)過(guo)電(dian)流(liu)設(she)置(zhi)值(zhi)的(de)110~130%左右。同時
，如圖7的直流重疊特性圖標所示，當流過過大的峰值電流時，磁芯的磁飽和擁有較柔和的特性（軟飽和）
，適用於不會發生電感值急劇下降的金屬類電感器。

 

圖7　鐵氧體類與金屬類的直流重疊特性比較

 

同時注意漏磁或嘯叫

 

重點功率電感器產生的漏磁會對周圍造成影響，是引起噪音的原因

gonglvdianganqichanshengdeloucijiaodashihuiduizhouweiyuanjianzaochengyingxiang，binghuichanshengzaoyin。weijiangdiloucikeshiyongyongyoucipingbijiegoudegonglvdianganqi，yincixuanzehelileixingdechanpinshifenzhongyao。

 

重點在輕負荷下采用PFM方式時會發生功率電感器的“嘯叫”問題

為改善DC-DC轉換器效率，在輕負荷狀態下還會采用從在一定頻率下進行開關來控製脈寬的PWM模式替換為固定脈寬來控製頻率的PFM（脈衝頻率調製）模式的方法。但開關頻率在20kHz及以下時，由磁芯的磁致伸縮作用及磁性吸引引起的振動會引發“嘯叫”的問題，因此需要注意。負荷電流的過渡變動也會產生嘯叫。

 

DC-DC轉換器的要求特性與功率電感器

 

表1總結了DC-DC轉換器的要求特性及其相關的功率電感器特性，表2總結了TDK的主要功率電感器種類。詳細特性及規格請使用TDK產品中心的產品信息
、選型指南以及特性值搜索等來查看。

 

 表1　DC-DC轉換器的要求特性與功率電感器