如何選擇電感

為便攜式電源應用選擇電感，需要考慮的最重要的三點是：尺寸大小、尺寸大小
，第三還是尺寸大小。移動電話的電路板麵積十分緊俏珍貴
，隨著MP3 播放器

、電(dian)視(shi)和(he)視(shi)頻(pin)等(deng)各(ge)種(zhong)功(gong)能(neng)被(bei)增(zeng)加(jia)到(dao)電(dian)話(hua)中(zhong)時(shi)，尤(you)其(qi)如(ru)此(ci)。功(gong)能(neng)增(zeng)加(jia)也(ye)將(jiang)增(zeng)加(jia)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)消(xiao)耗(hao)量(liang)。因(yin)此(ci)
，以(yi)前(qian)一(yi)直(zhi)由(you)線(xian)性(xing)調(tiao)節(jie)器(qi)供(gong)電(dian)或(huo)直(zhi)接(jie)連(lian)接(jie)到(dao)電(dian)池(chi)上(shang)的(de)模(mo)塊(kuai)需(xu)要(yao)效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)效(xiao)率(lv)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)第(di)一(yi)步(bu)是(shi)采(cai)用(yong)磁(ci)性(xing)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)。正(zheng)如(ru)其(qi)名(ming)稱(cheng)所(suo)暗(an)示(shi)的(de)
，這(zhe)時(shi)需(xu)要(yao)一(yi)個(ge)電(dian)感(gan)。
電感的主要規格除尺寸大小外，還有開關頻率下的電感值、線圈的直流阻抗(DCR)
、額定飽和電流、額定rms電流
、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據應用的不同，電感類型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。

類似於電容中的直流偏置，廠商A的2.2μH電感可能與廠商B的(de)完(wan)全(quan)不(bu)同(tong)。在(zai)相(xiang)關(guan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)電(dian)感(gan)值(zhi)與(yu)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)的(de)關(guan)係(xi)是(shi)一(yi)條(tiao)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)曲(qu)線(xian)
，必(bi)需(xu)向(xiang)廠(chang)商(shang)索(suo)取(qu)。在(zai)這(zhe)條(tiao)曲(qu)線(xian)上(shang)可(ke)以(yi)查(zha)到(dao)額(e)定(ding)飽(bao)和(he)電(dian)流(liu)(ISAT)。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時的直流電流。某些電感生產商沒有規定ISAT。他們可能之給出了溫度高於環境溫度40 C時的直流電流。

DCR引起傳導損耗
，在輸出電流較高時影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加，在輸出電流較小時影響占主導地位的開關損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下，低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其它規格時，為什麼係統設計人員還應考慮ESR和Q因子呢？

當開關頻率超過2MHz時
，必需格外關注電感的交流損耗。規格說明書中列出比較的不同廠商的電感的ISAT和DCR在(zai)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)下(xia)可(ke)能(neng)有(you)極(ji)為(wei)不(bu)同(tong)的(de)交(jiao)流(liu)阻(zu)抗(kang)，導(dao)致(zhi)輕(qing)負(fu)載(zai)下(xia)顯(xian)著(zhu)的(de)效(xiao)率(lv)差(cha)異(yi)。這(zhe)一(yi)點(dian)對(dui)提(ti)高(gao)便(bian)攜(xie)式(shi)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)中(zhong)電(dian)池(chi)的(de)壽(shou)命(ming)至(zhi)為(wei)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)係(xi)統(tong)大(da)部(bu)分(fen)的(de)時(shi)間(jian)是(shi)處(chu)於(yu)睡(shui)眠(mian)、待機或低功率模式下的。

由於電感生產廠商很少提供ESR和Q因子信息，設計人員應該主動向他們索取。廠商給出的電感與電流關係也往往隻限於25 C
，故應該索取工作溫度範圍內的相關數據。最壞情況一般是85oC。

圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關係。考慮一個降壓轉換器的例子，其規格參數如下：FSW=2MHz
，VIN=5.5V

，L=2.2 μH，VOUT=1.5V，I=0 到600MA，ΔI=289MA (計算值)。

圖3：各種電感的交流阻抗與頻率的關係

參見圖3，2.2μH額定電感在低頻下的DCR為0.2Ω，2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計算：

DC損耗=I2×DCR
AC損耗=(dΔI2)/12×ESR

由上式可知，輸出電流較高時
，低頻或直流損耗占主導地位；輸出電流較低時

，交流損耗占主導地位。ΔI是轉換器的峰峰值紋波電流
，在連續傳導工作模式中，輸出電流高和低時其幅度都一樣。由數學計算可知，I=600MA時
，電感總體損耗的91%是直流損耗；I=50mA時，電感總體損耗的93%是交流損耗。

圖4a (ESR) 和 4b (Q)給出了廠商A(低 ESR，高Q值)和廠商B(高ESR
，低Q值)的電感，還顯示了采用這些電感(圖4c) 的2MHz轉換器的效率曲線。從這些數據判斷，即使廠商A有較高的DCR，它也能在輕負載下提供更高的效率。

圖4：電感的2MHz轉換器的效率曲線

根據應用的不同，可以選擇屏蔽式或非屏蔽式電感器。一般而言，屏蔽式電感用於那些必須滿足嚴格的EMI規範的便攜式應用。

最後但絕非不重要的是，按照生產方式的不同，有兩類電感器。第一類是傳統的繞線線圈式(Wire Wound coil)電感，另一類是較新式的芯片電感。芯片電感憑其尺寸和高度方麵的優勢使用正日益廣泛。PCB裝配時的安裝速度也是芯片(多層)電(dian)感(gan)生(sheng)產(chan)商(shang)大(da)肆(si)宣(xuan)傳(chuan)的(de)優(you)點(dian)之(zhi)一(yi)。在(zai)選(xuan)擇(ze)開(kai)關(guan)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)時(shi)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)考(kao)慮(lv)到(dao)芯(xin)片(pian)電(dian)感(gan)的(de)某(mou)些(xie)關(guan)鍵(jian)規(gui)格(ge)。電(dian)感(gan)和(he)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)的(de)關(guan)係(xi)隨(sui)溫(wen)度(du)的(de)變(bian)化(hua)是(shi)線(xian)圈(quan)式(shi)電(dian)感(gan)和(he)芯(xin)片(pian)電(dian)感(gan)有(you)顯(xian)著(zhu)不(bu)同(tong)的(de)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)參(can)數(shu)。圖(tu)5顯示了繞線線圈電感和芯片電感的橫截麵示意圖。

圖5：繞線線圈電感和芯片電感的橫截麵示意圖

從圖6可看到，一般來說
，線圈式電感的電感-直流電流及溫度關係曲線在飽和電流之前很平坦。在飽和電流之後
，則隨電流變化出現急劇下降。典型地，ISAT在85oC 時比25 oC時要低10％到20%。

25 oC時，芯片電感有一個高於額定值的初始電感值。一旦電流增大，芯片電感就開始下降。因此，大多數情況下
，額定ISAT的定義不適用於芯片電感。規定了溫度上升的額定rms電流也決定了芯片電感的額定電流。電感值隨溫度下降，不隨直流電流下降，是芯片電感的另一個特性。

圖6：線圈式電感的電感-直流電流及溫度關係曲線

關(guan)於(yu)實(shi)際(ji)的(de)電(dian)感(gan)值(zhi)，係(xi)統(tong)設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)必(bi)須(xu)謹(jin)慎(shen)選(xuan)擇(ze)正(zheng)確(que)的(de)電(dian)感(gan)，並(bing)按(an)照(zhao)規(gui)格(ge)說(shuo)明(ming)書(shu)找(zhao)到(dao)最(zui)小(xiao)的(de)電(dian)感(gan)值(zhi)。電(dian)感(gan)選(xuan)擇(ze)不(bu)正(zheng)確(que)會(hui)影(ying)響(xiang)到(dao)穩(wen)定(ding)性(xing)，引(yin)起(qi)次(ci)諧(xie)波(bo)振(zhen)蕩(dang)(sub-harmonic oscillations)，和/或降低開關的額定輸出電流。與陶瓷電容的情況相同，設計人員應當主要關注實際工作情況中的電感值，而非額定電感值。

如何為磁性降壓轉換器選擇電感的額定電流呢？如果電感的額定IRMS大於所需輸出電流，最容易的方法是選擇額定值大於或等於開關的最大電流限值的ISAT。不過，正如我們在芯片電感中看到的
，我們必須搜尋滿足穩定性和輸出電流要求的最小電感值。選擇較高值的芯片電感(比如用3.3μH代替2.2μH) 來滿足電感要求是不可行的，因為對相同外殼尺寸的電感器，電感值越高，其下降就越劇烈。

此外，芯片電感廠商間存在著各種差異。例如
，廠商A可能采用低滲透性材料，使電感值逐步改變。但這種方案需要更多的介電層。因此
，較之采用高滲透率材料
、下降更劇烈的廠商B，A將有更高的DCR
，B的DCR較低。