【導讀】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聯的。此文為經驗豐富的功率轉換專家和非專業人員講解電感目錄和電感的重要規格。
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聯的。此文為經驗豐富的功率轉換專家和非專業人員講解電感目錄和電感的重要規格。
介紹
DC-DC轉換器的使用越來越普遍了。由于電子系統越來越小型化、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換問題。產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正在增長外，許多電路設計人員現在還會自行設計DC-DC轉換電路，而非依賴電源專業公司，因而更多的電路設計人員可以自己選擇元件。基本的DC-DC轉換電路是非常成熟的技術，依然在緩慢地發展，因此專業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程也必須實現規定的效率級別。要實現這些目標，功率電感的選擇是一個重要的步驟。
功率電感參數
電感性能可以用幾個數字來說明。表1一份典型的電感數據表，這些數據描述了一個用于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%時的典型值
c、Irms為引起40℃溫升時的典型值
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）
電感值是實現所需電路功能的主要參數，也是大多數設計過程中第一個要計算的參數。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有特別嚴格的要求。對于大多數元件來說，選擇標準公差的產品合乎成本效益，并且能夠滿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。對于電感供應商來說，這是最容易實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，隨著頻率增加，電感值最終會減小。這種現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格，因為產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0.009Ω Max的預期直流電阻
交流電阻
此參數一般不會在電感數據表中表示，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，要包含此數據，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22號圓銅線的交流電阻/直流電阻
這對低于500kHz的大多數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、Switchers Made Simple,an Expert System for theAutomated Design of DC to DC Converters usingSimple Switcher Power Converters Version 4.1,National Semiconductor.
2、Magnetics for RF,power,filter and dataapplications,p32,Coilcraft Inc, Cary,IL,USA,June2013.
3、Reference Data for Radio Engineers 6th Edition,Howard W. Sams & Co., Inc, Indianapolis, Indiana,USA,1975.
