在開關電源的設計中電感的設計給工程師帶來許多的挑戰，工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流、繞線電阻、機械尺寸等等。本文解釋了電感上的DC電流效應，為選擇合適的電感提供必要的信息。

 

1
、理解電感的功能

 

電感常常被理解為開關電源輸出端中的LC濾波電路中的L（C是其中的輸出電容）。雖然這樣理解是正確的，但是為了理解電感的設計就必須更深入的了解電感的行為。

 

在降壓轉換中（Fairchild典型的開關控製器）
，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或GND。

在狀態1過程中
，電感會通過（高邊 “high-side”）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態2過程中，電感連接到GND。

 

由於使用了這類的控製器，可以采用兩種方式實現電感接地：通過二極管接地或通過（低邊“low-side”）MOSFET接地。如果是後一種方式，轉換器就稱為“同步（synchronus）”方式。

 

現在再考慮一下在這兩個狀態下流過電感的電流是如果變化的。在狀態1過程中
，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對於一個降壓轉換器，輸 入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。

 

相反
，在狀態2過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對於一個降壓轉換器，輸出電壓必 然為正端，因此會在電感上形成負向的壓降。

 

我們利用電感上電壓計算公式：V=L(dI/dt)

 

因此，當電感上的電壓為正時（狀態1），電感上的電流就會增加
；當電感上的電壓為負時（狀態2），電感上的電流就會減小。

 

通過電感的電流如圖2所示：

 

 

通過上圖我們可以看到
，流過電感的最大電流為DC電流加開關峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。

 

根據上述的公式，我們可以計算出峰值電流：

 

 

其中
，ton是狀態1的時間，T是開關周期（開關頻率的倒數），DC為狀態1的占空比。

 

警告：上麵的計算是假設各元器件（MOSFET上的導通壓降，電感的導通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降）上的壓降對比輸入和輸出電壓是可以忽略的。

 

如果，器件的下降不可忽略
，就要用下列公式作精確計算：

 

同步轉換電路

 

 

異步轉換電路：

 

 

其中，Rs為感應電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導通電阻，R=Rs+Rm。

 

2
、電感磁芯的飽和度

 

通(tong)過(guo)已(yi)經(jing)計(ji)算(suan)的(de)電(dian)感(gan)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)
，我(wo)們(men)可(ke)以(yi)發(fa)現(xian)電(dian)感(gan)上(shang)產(chan)生(sheng)了(le)什(shen)麼(me)。很(hen)容(rong)易(yi)會(hui)知(zhi)道(dao)，隨(sui)著(zhe)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)
，它(ta)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)會(hui)減(jian)小(xiao)，這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)決(jue)定(ding)的(de)。

 

電感量會減少多少就很重要了：如果電感量減小很多
，轉換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感實效的程度
，此時的電流稱為“飽和電流”，這也是電感的基本參數。

 

實際上

，轉換電路中的開關功率電感總會有一個“軟”飽和度。要了解這個概念可以觀察實際測量的電感Vs DC電流的曲線：

 

 

當電流增加到一定程度後，電感量就不會急劇下降了，這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加
，電感就會損壞了。

 

注意：電感量下降在很多類的電感中都會存在。例如：toroids，gapped E-cores等。但是，rod core電感就不會有這種變化。

 

有了這個軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的最小電感量；而且由於紋波電流的變化也不會嚴重影響電感量。

 

在所有的應用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什麼大家總是很關心DC輸出電流下的電感量
，而會在Spec中忽略紋波電流下的電感量。