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(nèi)部電路性能是以怎樣的方式與供應商數(shù)據(jù)表中的信息相關聯(lián)的。此文為經(jīng)驗豐富的功率轉(zhuǎn)換專家和非專業(yè)人員講解電感目錄和電感的重要規(guī)格。

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(nèi)部電路性能是以怎樣的方式與供應商數(shù)據(jù)表中的信息相關聯(lián)的。此文為經(jīng)驗豐富的功率轉(zhuǎn)換專家和非專業(yè)人員講解電感目錄和電感的重要規(guī)格。

介紹

DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用越來越普遍了。由于電子系統(tǒng)越來越小型化、移動化、復雜化并且越來越受歡迎，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辦法來解決功率轉(zhuǎn)換問題。產(chǎn)品所提出的要求往往需要通過改進性能和縮小尺寸來滿足，因此優(yōu)化就變得非常重要。對于功率轉(zhuǎn)換，并非所有應用都能采用一體適用。例如，許多實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(zhuǎn)換器需要使用薄形電感

除了轉(zhuǎn)換器批量采購的市場正在增長外，許多電路設計人員現(xiàn)在還會自行設計DC-DC轉(zhuǎn)換電路，而非依賴電源專業(yè)公司，因而更多的電路設計人員可以自己選擇元件。基本的DC-DC轉(zhuǎn)換電路是非常成熟的技術，依然在緩慢地發(fā)展，因此專業(yè)作者可以編寫出實用的輔助設計資料，設備設計人員則可以借助這些材料設計出自己的轉(zhuǎn)換器。一些易于獲取的軟件也可以簡化這些設計的過程1。

在確定電路拓撲后，設計的關鍵任務之一是選擇元件。很多電路設計程序可以列出所要求的元件參數(shù)值，此時設計人員要從確定所需的電感值開始，最終從可用范圍中選擇一種元件來執(zhí)行工作。用于DC-DC轉(zhuǎn)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(guī)格。

圖2：用扁平線繞制的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(zhuǎn)換器要求

簡而言之，DC-DC轉(zhuǎn)換器的功能就是在給定的輸入電壓下提供穩(wěn)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(diào)節(jié)直流輸出電壓，通常都需要使用轉(zhuǎn)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(guī)定水平之內(nèi)。此外，將功率從電源傳輸?shù)截撦d的過程也必須實現(xiàn)規(guī)定的效率級別。要實現(xiàn)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(shù)

電感性能可以用幾個數(shù)字來說明。表1一份典型的電感數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)描述了一個用于DC-DC轉(zhuǎn)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%時的典型值

c、Irms為引起40℃溫升時的典型值

d、所有參數(shù)均在25℃下測得

定義

L電感值：電感的主要功能參數(shù)，通過轉(zhuǎn)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銅線的長度和直徑。

SRF自諧頻率：電感線圈的電感值與其分布電容產(chǎn)生共振的頻率點。

Isat飽和電流：通過電感時導致鐵芯飽和，致使電感值下降的電流。

Irms均方根電流：連續(xù)地通過電感，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的。由于數(shù)據(jù)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）

電感值是實現(xiàn)所需電路功能的主要參數(shù)，也是大多數(shù)設計過程中第一個要計算的參數(shù)。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計算的。如果使用的電感值小于計算結果，會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(zhuǎn)換器在連續(xù)與非連續(xù)運行模式之間變化。

公差

大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的應用對電感公差沒有特別嚴格的要求。對于大多數(shù)元件來說，選擇標準公差的產(chǎn)品合乎成本效益，并且能夠滿足絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。表1的電感公差為20%，該公差適用于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器。

測試條件

■電壓。額定電感值應說明所采用的頻率和測試電壓。大多數(shù)目錄額定電感值是基于小正弦電壓。對于電感供應商來說，這是最容易實現(xiàn)并且最便于重復應用的方法，并且適于得出大多數(shù)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(shù)功率電感在20kHz~500kHz的范圍內(nèi)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，隨著頻率增加，電感值最終會減小。這種現(xiàn)象的原因可能來自所使用鐵芯材料的頻率滾降特性，也可能來自線圈電感值與其分布電容共振。由于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器在50kHz~500kHz的范圍內(nèi)工作，因此100kHz是合適的標準測試頻率。當開關頻率增加到500kHz、1MHz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只是電感所使用銅線的一個量度，嚴格基于銅線直徑和長度。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，但同時也可能會不必要地收緊規(guī)格，因為產(chǎn)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也隨著溫度的變化而變化。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(shù)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與溫度間的關系如圖4所示。

圖4：基于25℃下最大0.009Max的預期直流電阻

交流電阻

此參數(shù)一般不會在電感數(shù)據(jù)表中表示，它通常不是需要考慮的問題，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(shù)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(shù)據(jù)，就需要給出目錄所列的每一電感的完整頻率曲線。

圖5：美國線規(guī)22號圓銅線的交流電阻/直流電阻

這對低于500kHz的大多數(shù)應用來說都是不必要的。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。即使高于這個頻率，如果交流電流不比直流成分大的話，交流電阻也并不構成問題。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意味著必須使用較粗的銅線，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行權衡。

參考

1、SwitchersMadeSimple,anExpertSystemfortheAutomatedDesignofDCtoDCConvertersusingSimpleSwitcherPowerConvertersVersion4.1,NationalSemiconductor.

2、MagneticsforRF,power,filteranddataapplications,p32,CoilcraftInc,Cary,IL,USA,June2013.

3、ReferenceDataforRadioEngineers6thEdition,HowardW.SamsampCo.,Inc,Indianapolis,Indiana,USA,1975.