BUCK電源中的電感

設計者必須在t解電感理論的基礎上，再根據結構，額定電流，磁芯材料，磁芯損耗，溫度和飽和電流綜合評價(jià)，選擇最佳電感參數。另外值得慶的是，許多電感供應商都提供尺寸和性能優(yōu)秀的產(chǎn)品，甚至還可以修改產(chǎn)品參數以滿(mǎn)足用戶(hù)需求的服務(wù)。

電感簡(jiǎn)介

電感、電阻和電容合稱(chēng)為三大被動(dòng)元件，其電器特性雖然各有不同，但卻都是3C 產(chǎn)品中不可或缺的關(guān)鍵元件。電感的主要功能為穩定電流與去除雜訊，另可搭配電阻與電容展現多種功能，故在機器、設備、消費性電子、電力配輸與抑制電磁輻射方面被廣泛運用。對電感的需求亦因而與日俱增。

電感的上游主要是以鎳鋅與錳鋅鐵氧體磁芯兩大系列為主，因材料特性之不同，分別應用于資訊和通訊產(chǎn)品上。鐵氧體磁芯(Ferrite Core)是以高溫燒成的金屬氧化物，主要作為高頻線(xiàn)圈及變壓器等產(chǎn)品之磁芯。

電感的發(fā)展趨勢主要是因應系統產(chǎn)品的發(fā)展而變化。在電腦及其周邊資訊產(chǎn)品方面，由于對空間需求的迫切性不高，電感的發(fā)展以朝向產(chǎn)品體積小型化與發(fā)展排列式晶片電感為主。在通訊產(chǎn)品方面，由于該類(lèi)產(chǎn)品對空間需求迫切度高，因此電感器除了朝向小型化發(fā)展外，亦需進(jìn)一步開(kāi)發(fā)整合型元件以因應產(chǎn)品的需求;此外，為因應產(chǎn)品高頻化的發(fā)展，電感亦需提高其使用頻率，而朝向陶瓷等高頻材料及元件開(kāi)發(fā)。整體而言，未來(lái)電感器將朝向小型化、高頻化及整合化發(fā)展。

電感參數

當導線(xiàn)內通過(guò)交流電流時(shí)，在導線(xiàn)的內部及其周?chē)a(chǎn)生交變磁通，導線(xiàn)的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。當電感中通過(guò)直流電流時(shí)，其周?chē)怀尸F固定的磁力線(xiàn)，不隨時(shí)間而變化;可是當在線(xiàn)圈中通過(guò)交流電流時(shí)，其周?chē)鷮⒊尸F出隨時(shí)間而變化的磁力線(xiàn)。根據法拉弟電磁感應定律(Faraday's law)-磁生電來(lái)分析，電感則是電流通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁通量(Flux)儲存在鐵心中蓄積能量(Φ=LI)，當通過(guò)線(xiàn)圈的電流愈大時(shí)磁通量也相對愈大，即代表儲存的能量增加。產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢為：

如圖1 中，開(kāi)關(guān)導通時(shí)間段，電感L 內的電流逐漸增加，當導通結束后，進(jìn)入截止時(shí)間段，這時(shí)候由于L內的電流達到最大值，電感中的電流不能突變，所以，繼續有電流流過(guò)，當截止時(shí)間結束后，電感中的電流達到最小值，重新開(kāi)始新的L期。電感就是透過(guò)這種在交換L期中的導通時(shí)間，將能量?jì)Υ嬖诖艌?chǎng)內，并在斷開(kāi)時(shí)，將所儲存的能量提供給負載來(lái)工作。

圖1.電感在DC-DC Buck 電路中的應用，工作在連續電流模式下。電感兩端的電壓可以突變但電流不會(huì )突變。

由于電感中變化磁場(chǎng)會(huì )對周邊產(chǎn)生電磁輻射，對周邊敏感元件產(chǎn)生干擾，因此遮罩是首先需要考慮的，從圖4 可以看出遮罩與非遮罩電感的區別，他們各有優(yōu)劣。遮罩的電感最主要就對外輻射少，但是尺寸比較大，線(xiàn)圈的損耗大，價(jià)格也貴。非遮罩的電感則可以做的很小，電流也可以做的很大，價(jià)格也便宜。如果設計中問(wèn)題輻射是關(guān)鍵因數，遮罩電感還是首選。另外一個(gè)是環(huán)形電感越來(lái)越受歡迎了，環(huán)形有利于電磁遮罩，并且這種空氣的間隙分巖燦欣提高對電流的處理。

圖4. 遮罩與非遮罩電感的比較

圖5.自遮罩的環(huán)形電感

當電流流經(jīng)時(shí)，電感的溫度會(huì )上升，交流紋波(AC ripple)會(huì )導致磁芯損耗，而直流電流會(huì )導致感應系數下降。穩態(tài)狀況下直流電流Irms 引起電感溫度上升20-40 攝氏度，這也是電感功耗的主要參考。另外，也有將Irms 歸類(lèi)成輸出電流或開(kāi)關(guān)模組的平均電流。功耗有兩部分組成，已是由Irms 部分計算的直流損耗P=I2R和AC 紋波電流引起的磁芯損耗。

磁芯損耗涉及到磁芯材料的選擇和磁芯截面甚至紋波電流，開(kāi)關(guān)頻率和結合電路部分的感應系數。磁芯損耗的計算在開(kāi)關(guān)開(kāi)閉期間是不一樣的，但是根據經(jīng)驗，可以估算出相對準確的數值。

圖2.電壓通過(guò)電感時(shí)由于感應電動(dòng)勢的存在導致電壓與電流相位相反。

由于鐵氧體材料擁有高導磁率，因此相當容易讓磁通量通過(guò)，這將可協(xié)助將磁通量維持在電感器的磁芯，同時(shí)創(chuàng )造較小尺寸高磁性電感器的可能性。這亦可由上述的電感方程式分析出，裼孟喙卮判疚鎦剩就可以使用較小的截面積。

另外，O者必意R到感的工作囟群銅h境囟鵲牟e，@其中有感自身升氐牟e。比如f感工作B的囟仍O定在-40 到125 z氏度之g，感工作r自身囟瓤梢隕高40 z氏度，那N工作h境的囟染橢荒茉O置在-40 到85 z氏度之g。K且囟仁怯呻感能耗和表面eQ定的。

圖3.電感中電流隨時(shí)間變化的關(guān)系

電感選擇示例

基于電感的屬性，在圖7的電路是buck 轉換電路為例說(shuō)明濾波電感的設計方法。這是常用的降壓調節電路，以提供穩定和高效的輸出電壓。在變換電路中，設有LC 濾波電路，濾波電感中的電流含有一個(gè)直流成分和一個(gè)L期性變化的脈動(dòng)成分。電感L 的作用是濾除占波開(kāi)關(guān)輸出電流中的脈動(dòng)成分，以減小紋波，也可以看成是續流用的，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)候，電感、負載、續流二極體就組成了回路。從濾波效果方面考慮，電感量越大，效果越明顯。但是，如果電感量過(guò)大，會(huì )使濾波器的電磁時(shí)間常數變得很大，使得輸出電壓對占空比變化的回應速度變慢，從而影響整個(gè)系統的快速性。一味地追求減小輸出電壓的紋波成分是不可取的。所以在設計電感參數時(shí)應從減小紋波和保持一定的快速性?xún)蓚€(gè)方面去考慮。

圖7.DC-DC Buck 電路

此電路要求的相關(guān)參數如下：Vin=8-12V;Vo=5V;Io=0. 5-2A;fswitch=250kHz。電路工作在連續電流模式(CCM)下，即在各個(gè)工作狀態(tài)下，電感中電流大于0A?，F在根據以上參數，可以算出所需電感的參數：

圖6. Irms 值的參考是在交流紋波比較小和磁芯損耗忽略的狀況下

磁芯材料和相應的參數

1. 計算電路中開(kāi)關(guān)的L期T：T=1/f=1/250 kHz=4μs

2. 計算電路中開(kāi)關(guān)的占空比D：Dmin=Vo/Vin(max)=5V/ 12V=0.4

3. 計算開(kāi)關(guān)導通時(shí)間Ton：Ton=TxDmin=4μs×0.4=1.6μs

4. 計算電感的紋波電流dI，一般不超過(guò)最大輸出電流的30%： dI=Io×0.3=2A×0.3=0.6A

5. 計算電感兩端的電壓V：V=Vin(max)-Vout- Vdiode=12V-5V-1V=6V

6. 計算最小的感應系數，由V=LdI/dt 得出：Lmin=Vdt/ dI=6V×1.6μs/0.6 A=16μH

7. 計算考慮誤差的感應系數，考慮到與標準之間20%的偏差和在額定電流下會(huì )有10-35%降幅：L=16μH/(0.8×0.65)=31μH , 再考慮到工作在連續電流模式下，因此感應系數調高到33μH。

8. 計算峰值電流Ipeak：Ipeak=Io(max)+dI/2=2A+0.6A/2=2.3A

電感的結構包括磁芯的尺寸、材料、繞組的匝數、導線(xiàn)的直徑等內容。電感量越大說(shuō)明相應的匝數也會(huì )增多，磁芯的體積就要大一些;電流越大，說(shuō)明裼玫牡枷呔馱醬鄭也要求磁芯的體積增大。裼酶叩即怕實(shí)牟牧希同樣的H 情況可以得到更大的B，磁芯的尺寸就會(huì )減小。要測量磁芯耗損通常相當困難，因為其包含相當}雜用來(lái)測量磁通密度的測試設置安排、以及對遲滯路的估算。迄今許多電感器u造商并沒(méi)有提供這方面的資料，不過(guò)卻有部分可以用來(lái)估算出電感器磁芯耗損的一些特性曲線(xiàn)，這可以由鐵氧體材料u造商、峰對峰磁通密度與頻率的函數得出。如果知道電感器磁芯所裼玫奶囟ㄌ氧體材料以及體積大小，那麼就可以利用這些曲線(xiàn)有效地估算出磁芯耗損。

此例中，如果選擇線(xiàn)圈N=20 匝，直流阻值0.06ohm，磁芯橫截面積A=0.071cm2，體積0.2cm3 和磁芯損耗為150mW/cm3 材料的電感，則：

磁通量B=(dI× L)/(2×N× A)=(0.6A×33μH)/(2×20×0.071cm2)=700 Gauss;

磁芯損耗P=150mW/cm3×0.2cm3=30mW;

DC 損耗P=I2R=(2A)2 ×0.06 ohm=240mW 。

現在關(guān)于電感的所有參數都計算出來(lái)了，接下來(lái)就需要根據參數挑選合適的電感。根據電感目錄對照可以很方便找出合適的電感。以下也給出了一些Tips：

1. 電感電流要依據設計中最大輸出電流來(lái)選擇

2. 感應系數的值必須達到理論的計算

3. 選擇理想的DC 阻抗，因為阻抗越小，DC 損耗就越小

4. 選擇合適的電感結構和磁芯類(lèi)別

在目前以消費驅動(dòng)的市場(chǎng)中，可以預計的是攜帶型電子產(chǎn)品的尺寸將會(huì )繼續縮小，以便滿(mǎn)足用戶(hù)的期望和需求。為了保持這種競爭優(yōu)勢，設計者必須從以上的各項基本原則出發(fā)來(lái)選擇和使用高可靠性和緊湊性的電感。而隨著(zhù)對電感基本原理的掌握及對本文示例的領(lǐng)會(huì )，設計者很容易找到合適電路的電感而不必像以前那樣反復猜測。并且大多數電感廠(chǎng)商都可以根據用戶(hù)需求提供相關(guān)參數的小尺寸電感。本文的相關(guān)準則都可以作為設計標準參考，以確保在大多數苛刻應用下的可靠性要求。

圖8.在電源設計中電感大多用作儲能，濾波和續流。