功率电感器的使用方法详细图解教程

电脑教程 2022-06-30

电子设备在变得高性能的同时，会通过降低其所使用的LSI电源电压来实现低耗电量以及高速化。电源电压下降时，电压变动的要求值将会变得更为严格，为满足此要求特性，高性能DC-DC转换器的需求不断增加，而功率电感器则是左右其性能的重要元件。

1.功率电感器是左右DC-DC转换器性能的重要元件

电感器（线圈）可使直流电流顺利流过，而对于发生变化的电流，则会产生妨碍其变化的电动势。这称为自感应，针对交流电流，其拥有频率越高越难通过的性质。为此，当电流流过电感器时会将其储存为能量，屏蔽电流时会释放能量。功率电感器正是利用了此性质，并且主要用于DC-DC转换器等电源电路中。图1为降压型DC-DC转换器（二极管整流型）的基本电路，功率电感器是左右其性能的重要元件。

图1　降压型DC-DC转换器（二极管整流型）的基本电路

2.功率电感器特性相关的参数相互间存在复杂的权衡关系，功率电感器的设计难度在于其特性会随电流大小或温度等而发生变化。例如，电感（L）拥有随电流增大而降低的性质（直流重叠特性），同时，随着电流增大，温度会随之上升，由此磁芯导磁率(μ)及饱和磁通密度（Bs）会发生变化。即使电感值相同，直流电阻（Rdc）值也会随绕组的粗细及匝数变化，并且发热的程度也会有所不同。此外，磁屏蔽结构的差异也会对噪音特性造成影响。此类参数相互之间存在复杂的权衡关系，从DC-DC转换器的效率、尺寸以及成本等综合角度出发选择最佳的功率电感器十分重要。

3.根据负荷大小或频率不同损耗也会发生变化“因为温度上升导致的主要损失为绕组引起的铜损以及磁芯材料引起的铁损”绕组引起的损耗称为铜损，磁芯材料引起的损耗称为铁损。铜损主要为绕组直流电阻（Rdc）引起的损耗（直流铜损），其与电流2次方成比例增大。同时，其拥有频率越高，交流电流越会集中在导体表面附近流过，实际电阻值增加的性质（趋肤效应），在高频范围中还加上交流电流引起的铜损（交流铜损）。铁损主要包括磁滞损耗与涡流损耗。涡流损耗与频率的2次方成正比，因此在高频率范围内涡流损耗引起的磁芯损失会增加。实现高效化的重点在于即使在高频范围内也选择使用磁芯损失较少的磁芯材料。

图2　功率电感器损耗原因

4.功率电感器的损耗会因负荷大小而发生变化。中～重负荷时流过电感器的电流中直流偏置电流较大，因此主要为绕组的直流电阻（Rdc）引起的铜损。而在轻负荷时，由于几乎不会流过直流偏置电流，因此铜损会下降，但在待机状态下也会有一定频率的开关工作，因此主要为磁芯材料的铁损，从而效率会大幅下降（图3）。

图3　DC-DC转换器负荷大小与功率电感器损耗的不同

5.非连续模式中的使用会对电源稳定性造成影响

降压型DC-DC转换器的功率电感器中，随着开关器件的ON/OFF，会流过三角波相连的波形的波纹电流（ΔIL）（图4）。中～重负荷时，直流偏置电流会与波纹电流重叠，因此电感器电流不会中断。这称为连续模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二极管整流型的DC-DC转换器在Iout＜1/2ΔIL的轻负荷中会产生电感器电流变为零的期间。这称为非连续模式，电感器电流会发生中断，从而会对电源稳定性造成影响。同时，变为非连续模式时会发生啸叫，或在因开关引起的脉冲状电压波形中产生振荡，从而会产生噪音。

图4　二极管整流型DC-DC转换器的连续模式与非连续模式

6.设置电感值来使波纹电流变为额定电流的20～30%，波纹电流的大小与功率电感器的电感值有关。因此在二极管整流型DC-DC转换器的设计中，会通过限制波纹电流来避免因非连续模式导致的问题。功率电感器所需电感值L通过如下公式计算。

电感值L=(施加于电感器的电压/波纹电流)×Ton

通过该公式可明确电感大小与波纹电流大小存在权衡关系。从尺寸与成本方面考虑而使用电感较小的功率电感器时，波纹电流会增大。相反，想要减小波纹电流时则需要较大的电感，其不仅会对尺寸及成本方面造成不利，同时在后述负荷急剧变化时的过渡响应特性也会变差。因此在通常情况下，应设置电感值来使波纹电流变为额定电流的20～30%(额定电流的10%左右时不连续)（图5）。

图5　波纹电流与电感值的关系

7.通过合理降低电感值可改善负荷响应特性，在负荷剧增等情况下，输出电压会下降，为进行恢复，功率电感器中会短时间流过过大的峰值电流，用以对负荷电流与输出电容器进行充电。在波纹电流较小的设置下，可能会无法得到为了立即从输出电压大幅下降状态下恢复所需的过渡响应特性。因此需要采取降低电感值来增大波纹电流的方法。如图6所示，若负荷响应特性较差，则输出电压将会大幅降低，但通过合理降低电感值增大波纹电流，则电感器电流变化将会变大，电压下降幅度将会减少，恢复将会更快。但降低电感值时，在综合考虑平衡的情况下进行设置十分重要。

图6　降低电感值时的过渡响应特性改善效果

8.DC-DC转换器的要求特性与功率电感器，表1总结了DC-DC转换器的要求特性及其相关的功率电感器特性，表2总结了TDK的主要功率电感器种类。详细特性及规格请使用TDK产品中心的产品信息、选型指南以及特性值搜索等来查看。

9.现市场上电感的种类有那些

标签：功率电感器

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