第一部分：先說說什麼是電感

 

電感器(Inductor)是shi能neng夠gou把ba電dian能neng轉zhuan化hua為wei磁ci能neng而er存cun儲chu起qi來lai的de元yuan件jian。電dian感gan器qi的de結jie構gou類lei似si於yu變bian壓ya器qi
，但dan隻zhi有you一yi個ge繞rao組zu。電dian感gan器qi具ju有you一yi定ding的de電dian感gan，它ta隻zhi阻zu礙ai電dian流liu的de變bian化hua。如ru果guo電dian感gan器qi在zai沒mei有you電dian流liu通tong過guo的de狀zhuang態tai下xia，電dian路lu接jie通tong時shi它ta將jiang試shi圖tu阻zu礙ai電dian流liu流liu過guo它ta；如果電感器在有電流通過的狀態下，電路斷開時它將試圖維持電流不變。電感器又稱扼流器、電抗器
、動態電抗器。

 

簡單的說：通直流
，阻礙交流。

 

 

第二部分 實際電感特性

 

電感是開關電源中常用的元件，由於它的電流
、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件
，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上， 用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈
，特點是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說
，由於磁通連續特性
，電感上的電流必須是連續的，否則將會產生很大的電壓尖峰。

 

電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。有的應用允許電感飽和，有的應用允許電感從一定電流值開始進入飽和， 也有的應用不允許電感出現飽和，這要求在具體線路中進行區分。大多數情況下，電感工作在“線性區”，此時電感值為一常數，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開關電源存在一個不可忽視的問題
，即電感的繞線將導致兩個分布參數(或寄生參數)，一個是不可避免的繞線電阻，另一個是與繞製工藝
、材(cai)料(liao)有(you)關(guan)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)。雜(za)散(san)電(dian)容(rong)在(zai)低(di)頻(pin)時(shi)影(ying)響(xiang)不(bu)大(da)，但(dan)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)而(er)漸(jian)顯(xian)出(chu)來(lai)，當(dang)頻(pin)率(lv)高(gao)到(dao)某(mou)個(ge)值(zhi)以(yi)上(shang)時(shi)，電(dian)感(gan)也(ye)許(xu)變(bian)成(cheng)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)了(le)。如(ru)果(guo)將(jiang)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)“集中”為一個電容
， 則從電感的等效電路可以看出在某一頻率後所呈現的電容特性。

 

電感的主要特性參數

 

1、電感量L

 

電感量L表示線圈本身固有特性
，與電流大小無關。除專門的電感線圈（色碼電感）外
，電感量一般不專門標注在線圈上，而以特定的名稱標注。單位有亨利(H)
、毫亨利 (mH)、微亨利(uH)，1H=10^3mH=10^6uH。

 

2

、感抗XL

 

電感線圈對交流電流阻礙作用的大小稱感抗XL
，單位是歐姆。它與電感量L和交流電頻率f的關係為XL=2πfL

 

3、品質因素Q

 

品質因素Q是表示線圈質量的一個物理量，Q為感抗XL與其等效的電阻的比值，即：Q=XL/R。線圈的Q值愈高，回路的損耗愈小。線圈的Q值與導線的直流電阻，骨架的介質損耗
，屏蔽罩或鐵芯引起的損耗
，高頻趨膚效應的影響等因素有關。線圈的Q值通常為幾十到幾百。采用磁芯線圈
，多股粗線圈均可提高線圈的Q值。

 

4、分布電容

 

又稱為固有電容或寄生電容

，線圈的匝與匝間

、線圈與屏蔽罩間、線圈與底版間存在的電容被稱為分布電容。分布電容的存在使線圈的Q值減小，穩定性變差，因而線圈的分布電容越小越好。采用分段繞法可減少分布電容。

 

圖中的Cu為分布電容

 

5、允許誤差：電感量實際值與標稱之差除以標稱值所得的百分數。

 

6、額定電流：指線圈允許通過的最大電流，通常用字母A、B、C
、D、E分別 表示，標稱電流值為50mA 
、150mA 、300mA 、700mA 
、1600mA 。

 

功率電感器的額定電流有兩種：

 

在DC-DC轉換器中，電感器是僅次於IC的核心元件。通過選擇恰當的電感器，能夠獲得較高的轉換效率。在選擇電感器時所使用的主要參數有電感值
、額定電流、交流電阻、直流電阻等，在這些參數中還包括功率電感器特有的概念。例如
，功率電感器的額定電流有兩種
，它們之間的差異是什麼呢
？

 

為了回答這樣的疑問，我們在這裏對功率電感器的額定電流進行說明。

 

存在兩種額定電流的原因 　

 

功率電感器的額定電流有"基於自我溫度上升的額定電流"和"基於電感值的變化率的額定電流"兩種決定方法，分別具有重要的意義。"基於自我溫度上升的額定電流"是以元件的發熱量為指標的額定電流規定
，超出該範圍使用時可能會導致元件破損及組件故障。

 

與此同時，"基於電感值的變化率的額定電流"是以電感值的下降程度為指標的額定電流規定，超出該範圍使用時可能會由於紋波電流的增加而導致IC控製不穩定。此外
，根據電感器的磁路構造的不同，磁飽和的傾向（即電感值的下降傾向）有所不同。圖1是shi表biao示shi不bu同tong磁ci路lu構gou造zao所suo導dao致zhi的de電dian感gan值zhi的de變bian化hua的de示shi意yi圖tu。對dui於yu開kai磁ci路lu類lei型xing，隨sui著zhe直zhi流liu電dian流liu的de增zeng加jia，到dao規gui定ding電dian流liu值zhi為wei止zhi呈cheng現xian比bi較jiao平ping坦tan的de電dian感gan值zhi

，但dan以yi規gui定ding電dian流liu值zhi為wei境jing界jie電dian感gan值zhi急ji劇ju下xia降jiang。相xiang反fan，閉bi磁ci路lu類lei型xing隨sui著zhe直zhi流liu電dian流liu的de增zeng加jia

，透tou磁ci率lv的de數shu值zhi逐zhu漸jian減jian少shao，因yin此ci電dian感gan值zhi緩huan慢man下xia降jiang。

 

 

功率電感規格書中對額定電流參數僅注明介質的飽和電流Isat值。

 

小常識：Isat與rms的區別

 

Isat與Irms是我們工程人員常常會碰到的技術術語，但因有些客戶的問題，時常將兩者混淆，造成工程技術上的錯誤。Isat與Irms兩者分別表示什麼，中文又是指什麼? Isat與Irms兩者如何定義，它們與那些因素有關?我們在電感設計時
，如何定義?

 

Isat：指磁介質的飽和電流，在下圖B-H曲線中，是指磁介質達到Bm對應的Hm所需的DC電流量的大小，對於電感
，即電感下降到一定比例後的電流大小，如SRI1207-4R7M產品，電感下跌20%的電流為8.4A，則Isat=8.4A。Isat計算公式如下：

 

設截麵積為S、長為l
，磁導率為μ的鐵環上
，繞以緊密的線圈N匝
，線圈中通過的電流為I。則依磁路定律:

 

Hl/0.4π=NI=0.7958Hl

 

對於同一材質及呎吋的鐵芯Hl依B-H曲線進行變化，但在同一斜率下
，Hl是不變的，因此:

 

N1*I1=Hl/0.4π=N2*I2

 

即:

 

N1/N2=I2/I1

 

 

Irms：指電感產品的應用額定電流，也稱為溫升電流，即產品應用時

，表麵達到一定溫度時所對應的DC電流。

 

以下是以2520係列中的4.7uH疊層功率電感為例對比說明業界目前對電感器額定電流Irat、飽和電流Isat以及溫升電流Irms標識狀況。

 

疊層功率電感（鐵氧體大電流電感）參數比對表

 

 

現狀會誤導工程師選型，產生隱患
；

 

目mu前qian有you相xiang當dang部bu分fen疊die層ceng功gong率lv電dian感gan生sheng產chan廠chang家jia對dui其qi產chan品pin額e定ding電dian流liu規gui格ge都dou是shi沿yan用yong傳chuan統tong信xin號hao濾lv波bo處chu理li用yong疊die層ceng電dian感gan額e定ding電dian流liu標biao準zhun來lai定ding義yi，其qi根gen據ju電dian感gan的de溫wen升sheng電dian流liu值zhi來lai定ding義yi其qi額e定ding工gong作zuo電dian流liu。這zhe種zhong情qing況kuang下xia產chan品pin設she計ji工gong程cheng師shi往wang往wang會hui按an照zhao傳chuan統tong功gong率lv電dian感gan選xuan型xing經jing驗yan並bing根gen據ju供gong應ying商shang電dian感gan規gui格ge書shu上shang定ding義yi的de額e定ding電dian流liu值zhi來lai衡heng量liang其qi實shi際ji電dian路lu中zhong的de額e定ding工gong作zuo電dian流liu，這zhe樣yang一yi來lai很hen可ke能neng會hui導dao致zhi因yin電dian感gan飽bao和he電dian流liu低di於yu電dian路lu的de實shi際ji工gong作zuo電dian流liu，會hui存cun在zai如ru下xia隱yin患huan：

 

A). dianganshijigongzuoshiyindianliuguodadaozhibaohe
，yinqidianganliangxiajiangfuduguodazaochengdianliuwenbochaochuhoujidianluzuidayunxuguigefanweizaochengdianluganrao，congerwufazhengchanggongzuoshenzhisunhuai
；

 

B).電路中實際工作電流超過電感的飽和電流有可能會因電感飽和電感量下降產生機械或電子噪音
；

 

C).電路中實際工作電流超過電感的飽和電流會導致因電感飽和
，其電感量下降引起電源帶負載時輸出電壓&電流不穩定，造成其它單元電路係統死機等不穩定異常情形;

 

D).電感額定電流（包括飽和和溫升電流）選擇餘量不足會導致其工作時表麵溫度過高、整機效率降低
、加速電感本身或整機老化使其壽命縮短。

 

第三部分  開關電源的輸出電感選型

 

我們需要重點考慮的電感的參數：

 

1
、等效電阻：影響效率

2、電感值：影響紋波電流

 

計算出正確的電感值對選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。

 

從cong下xia圖tu可ke以yi看kan出chu

，流liu過guo開kai關guan電dian源yuan電dian感gan器qi的de電dian流liu由you交jiao流liu和he直zhi流liu兩liang種zhong分fen量liang組zu成cheng，因yin為wei交jiao流liu分fen量liang具ju有you較jiao高gao的de頻pin率lv，所suo以yi它ta會hui通tong過guo輸shu出chu電dian容rong流liu入ru地di，產chan生sheng相xiang應ying的de輸shu出chu紋wen波bo電dian壓yadv=di×RESR。這個紋波電壓應盡可能低，以免影響電源係統的正常操作，一般要求峰峰值為10mV~500mV。

 

 

紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設定為最大輸出電流的10%~30%，因此對降壓型電源來說
，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。

 

在開關管開關的過程中，電感上電流的變化。

 

 

在開關管開關的過程中
，電感的歐姆定律應用，計算：

 

 

輸出的電流紋波
，與電感值成反比，與開關頻率成反比。

 

 

由上麵公式可知
，電感的感值越大，輸出紋波電流就越小。但帶來問題是動態響應（response time）變慢。如果電感感值較小，如果想輸出電壓的紋波也小，就需要提高開關頻率，這樣MOS管上的開關損耗就增加，電路效率下降。

 

第四部分  實際電路設計

 

BUCK型開關電源規格需求：5V0~24V0→1V~5V0 輸出電流：2A

 

電源控製器備選型號：MP4420A（A表示：CCM模式
，H表示：輕載降頻模式）

 

PIN2PIN兼容：MPQ4420A-DJ（工業級）
，MPQ4420A-DJ-A（汽車級）

 

廠家：MPS

 

 

● 電源輸出：3.3V

● 電源範圍要求：5%

● 電源紋波要求：2%   0.066V

● 開關頻率：410kHz（320~500kHz）

● 占空比：12V轉3V3:    27.5%

 

 

我們選定10uH電感之後，即確定了紋波電流：

 

 

紋波電流  =  （12V-3.3V）*0.275/（0.00001*320000）=0.75A

 

我們選定的陶瓷電容的ESR：

 

含義即為電容器所能耐受紋波電流/電壓值。它們和ESR 之間的關係密切，可以用下麵的式子表示：Urms = Irms × R 式中
，Urms 表示紋波電壓 Irms 表示紋波電流 R 表示電容的 ESR。

 

由上可見，當紋波電流增大的時候，即使在 ESR 保持不變的情況下
，漣波電壓也會成倍提高。換言之，當紋波電壓增大時，紋波電流也隨之增大

，這也是要求電容具備更低 ESR 值的原因。疊加入紋波電流後，由於電容內部的等效串連電阻（ESR）引起發熱，從而影響到電容器的使用壽命。一般的
，紋波電流與頻率成正比，因此低頻時紋波電流也比較低。

 

所以，對於輸出電容來說
，耐壓的要求和容量可以適當的降低一點。ESR的要求則高一點，因為這裏要保證的是足夠的電流通過量。但這裏要注意的是ESR並不是越低越好
，低ESRdianronghuiyinqikaiguandianluzhendang。erxiaozhendianlufuzatongshihuidaozhichengbendezengjia。bankashejizhong，zheliyibanyouyigecankaozhi
，cizuoweiyuanjianxuanyongcanshu，bimianxiaozhendianluerdaozhichengbendezengjia。

 

我們把ESR設置為1歐姆：

 

 

我們把ESR設置為10mΩ：

 

 

幅度明顯減小

 

如果我們用2個1Ω，100uF的電容，則會發現紋波電壓進一步減小。一方麵是電容在開關頻率點的阻抗通過並聯進一步減小
，另一方麵，ESR其實也是等效於並聯。本質是ESR與電容串聯後並聯
，導致輸出電容在開關頻率點上的阻抗明顯減小。

 

 

ESR、電容的串並聯公式等同於電阻的串並聯公式。

 

根據陶瓷電容的datasheet

 

 

在410kHz附近，其ESR大約是2mΩ，所以紋波電壓=0.75A*2mΩ=1.5mV，遠小於66mV的紋波要求。

 

所以其實我們設計的時候，考慮到電感值的精度範圍
、溫度漂移。所以，根據我們的成本、PCB空間的要求

，還可以適當減小我們電感值的大小。但是
，減小時，還需要考慮電感值最差的情況，對紋波進行評估。

 

第五部分 電感降額

 

電感元件的熱點溫度額定值與線圈線組的絕緣性能
、工作電流、瞬態初始電流及介質耐壓有關。

 

 

注：

 

1） THS 為額定熱點溫度。

2）隻適用於扼流圈。

 

按照我們的設計需求
，如果我們的瞬態電流為2A，則需要額定電流為2A/0.9=2.22A，我們需要選擇額定電流在2.5A~3A的電感作為輸出。Isat和Irms選擇小的那個作為額定電流。

 

 

第六部分 電感選型

 

 

我們選擇Irms和Isat都大於2.5A的，DCR相對小一點的10uH電感
，最後考慮成本和體積。

 

 

 

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