| 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是以怎樣的方式與供應商數據表中的信息相關(guān)聯(lián)的。此文為經(jīng)驗豐富的功率轉換專(zhuān)家和非專(zhuān)業(yè)人員講解電感目錄和電感的重要規格。
介紹
DC-DC轉換器的使用越來(lái)越普遍了。由于電子系統越來(lái)越小型化、移動(dòng)化、復雜化并且越來(lái)越受歡迎，功率要求也就變得多樣化了�？捎玫碾姵�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辦法來(lái)解決功率轉換問(wèn)題。產(chǎn)品所提出的要求往往需要通過(guò)改進(jìn)性能和縮小尺寸來(lái)滿(mǎn)足，因此優(yōu)化就變得非常重要。對于功率轉換，并非所有應用都能采用“一體適用”。例如，許多實(shí)際應用中都需要采用像圖1這樣的薄型元件。
圖1：設計輕薄的轉換器需要使用薄形電感
除了轉換器批量采購的市場(chǎng)正在增長(cháng)外，許多電路設計人員現在還會(huì )自行設計DC-DC轉換電路，而非依賴(lài)電源專(zhuān)業(yè)公司，因而更多的電路設計人員可以自己選擇元件�；镜腄C-DC轉換電路是非常成熟的技術(shù)，依然在緩慢地發(fā)展，因此專(zhuān)業(yè)作者可以編寫(xiě)出實(shí)用的輔助設計資料，設備設計人員則可以借助這些材料設計出自己的轉換器。一些易于獲取的軟件也可以簡(jiǎn)化這些設計的過(guò)程1。
在確定電路拓撲后，設計的關(guān)鍵任務(wù)之一是選擇元件。很多電路設計程序可以列出所要求的元件參數值，此時(shí)設計人員要從確定所需的電感值開(kāi)始，最終從可用范圍中選擇一種元件來(lái)執行工作。用于DC-DC轉換器的電感有各種各樣的形狀和尺寸，圖2和圖3所示為其中的兩種。為了對比不同的類(lèi)型并選擇對具體應用而言合適的元件，設計人員必須正確地理解為這些電感公布的規格。
圖2：用扁平線(xiàn)繞制的E形鐵芯電感
圖3：采用堅固結構的磁屏蔽型模壓電感，用于高密度電路
DC-DC轉換器要求
簡(jiǎn)而言之，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。要在不超出給定的負載電流范圍和/或輸入電壓范圍的前提下調節直流輸出電壓，通常都需要使用轉換器。理想情況下，直流輸出是“純凈”的，即紋波電流或紋波電壓控制在規定水平之內。此外，將功率從電源傳輸到負載的過(guò)程也必須實(shí)現規定的效率級別。要實(shí)現這些目標，功率電感的選擇是一個(gè)重要的步驟。
功率電感參數
電感性能可以用幾個(gè)數字來(lái)說(shuō)明。表1一份典型的電感數據表，這些數據描述了一個(gè)用于DC-DC轉換器中的表面貼裝功率電感。
表1：典型電感目錄的摘錄2
a、電感值在1MHz、0.1Vrms下測得
b、Isat為電感值下降30%時(shí)的典型值
c、Irms為引起40℃溫升時(shí)的典型值
d、所有參數均在25℃下測得
定義
L—電感值：電感的主要功能參數，通過(guò)轉換器設計公式計算得出，用以確定電感處理輸出功率和控制紋波電流的能力。
DCR—直流電阻：元件的電阻，取決于所使用的繞線(xiàn)銅線(xiàn)的長(cháng)度和直徑。
SRF—自諧頻率：電感線(xiàn)圈的電感值與其分布電容產(chǎn)生共振的頻率點(diǎn)。
Isat—飽和電流：通過(guò)電感時(shí)導致鐵芯飽和，致使電感值下降的電流。
Irms—均方根電流：連續地通過(guò)電感，引起允許的最大溫升的電流。
要正確地使用額定值就必須理解它們是如何得來(lái)的。由于數據表不可能顯示所有工作條件下的性能，因而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(shí)現所需電路功能的主要參數，也是大多數設計過(guò)程中第一個(gè)要計算的參數。該值是以提供一定的最小能量存儲量（或伏特-微秒容量）并減少輸出電流紋波為標準來(lái)計算的。如果使用的電感值小于計算結果，會(huì )增加直流輸出的交流紋波。使用太大或太小的電感值都可能迫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(méi)有特別嚴格的要求。對于大多數元件來(lái)說(shuō)，選擇標準公差的產(chǎn)品合乎成本效益，并且能夠滿(mǎn)足絕大多數轉換器的要求。表1的電感公差為±20%，該公差適用于大多數轉換器。
測試條件
■ 電壓。額定電感值應說(shuō)明所采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(lái)說(shuō)，這是最容易實(shí)現并且最便于重復應用的方法，并且適于得出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得到的電感值與設計公式計算出的電感值匹配。
■ 測試頻率。大多數功率電感在20kHz~500kHz的范圍內變化不大，因此常用的比較合適的做法是使用基于100kHz的額定值。必須記住的是，隨著(zhù)頻率增加，電感值最終會(huì )減小。這種現象的原因可能來(lái)自所使用鐵芯材料的頻率滾降特性，也可能來(lái)自線(xiàn)圈電感值與其分布電容共振。由于大多數轉換器在50kHz~500kHz的范圍內工作，因此100kHz是合適的標準測試頻率。當開(kāi)關(guān)頻率增加到500kHz、1MHz及以上，考慮使用基于實(shí)際應用頻率的額定值就更為重要了。
電阻
直流電阻（DCR）
DCR只是電感所使用銅線(xiàn)的一個(gè)量度，嚴格基于銅線(xiàn)直徑和長(cháng)度。目錄中指定的該值通常為“最大值”，但也可以指定帶公差的標稱(chēng)值。第二種方法通過(guò)給出標稱(chēng)值或預期電阻，可能更具指導性，但同時(shí)也可能會(huì )不必要地收緊規格，因為產(chǎn)品的電阻太小總不會(huì )有壞處。
跟通常為銅材的線(xiàn)圈材料的電阻率一樣，DCR也隨著(zhù)溫度的變化而變化。DCR額定應考慮環(huán)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歐的產(chǎn)品在85℃下相應的最大額定值為0.011歐，只差2毫歐，但總變化卻有25%。預期DCR與溫度間的關(guān)系如圖4所示。
圖4：基于25℃下最大0.009Ω Max的預期直流電阻
交流電阻
此參數一般不會(huì )在電感數據表中表示，它通常不是需要考慮的問(wèn)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(xiàn)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(gè)很好的電阻損耗度量標準。集膚效應隨銅線(xiàn)直徑和頻率的變化而變化3，因此，要包含此數據，就需要給出目錄所列的每一電感的完整頻率曲線(xiàn)。
圖5：美國線(xiàn)規22號圓銅線(xiàn)的交流電阻/直流電阻
這對低于500kHz的大多數應用來(lái)說(shuō)都是不必要的。從圖5可以看出，在低于約200kHz的頻率下，交流電阻不能與直流電阻相比。即使高于這個(gè)頻率，如果交流電流不比直流成分大的話(huà)，交流電阻也并不構成問(wèn)題。然而，如果頻率高于200-300kHz，建議的做法就是向供應商索取損耗與頻率關(guān)系的信息，作為對所公布的信息的補充。
如果要盡量縮小元件的尺寸，設計人員應選擇電阻盡可能大的元件。通常情況下，減小DCR意味著(zhù)必須使用較粗的銅線(xiàn)，總體尺寸就可能比較大。因此，優(yōu)化DCR選擇就是要在功率效率、元件允許的壓降和元件尺寸之間進(jìn)行權衡。 |
