利用IC、功率電感器、電容器，將直流輸入電壓轉換為所需的輸出電壓。功率電感器承擔的作用是與電容器配合，將從IC輸出的矩形波輸出轉換為直流（詳情在第2章中說(shuō)明）。

 

只要缺少其中的任何一個(gè)，就無(wú)法正確整流。

 

圖1-1 降壓型開(kāi)關(guān)調節器概要

 

1.2、功率電感器的基本特性

 

那么在選定功率電感器時(shí)，應當查看哪些參數呢？各制造商的功率電感器產(chǎn)品目錄上，主要記載了下列技術(shù)規格。圖1-2呈現了技術(shù)規格表的一個(gè)示例。

◆電感

◆額定電流……直流疊加額定電流 Isat

溫升額定電流 Itemp

◆直流阻抗Rdc

◆工作溫度范圍

 

圖1-2 功率電感器特性表

 

可是僅憑這個(gè)，還是不清楚應該選擇哪種技術(shù)規格的功率電感器。例如，電感高的好還是低的好、需要多大的額定電流之類(lèi)，因為必須根據DC-DC轉換器的工作條件適當地選擇。本章介紹功率電感器技術(shù)規格的看法。

 

＜電感＞

 

電感值是影響紋波電流和負載響應特性的一個(gè)非常重要的參數。DC-DC轉換器使用的功率電感器中通過(guò)圖1-3所示的三角波電流。一般來(lái)說(shuō)，可將紋波電流⊿IL設置為負載電流Iout的30%左右。因此，只要決定DC-DC轉換器的條件，就能根據以下算式計算適當的功率電感器電感。

 

圖1-3 功率電感器中通過(guò)的電流波形

 

但是，在DC-DC轉換器上幾乎都記載了功率電感器的適當電感值作為參考值。因此，即使不進(jìn)行上述算式之類(lèi)的計算，也能按照制造商的參考值選定。

 

＜額定電流＞

 

額定電流規定了電流值的上限，通過(guò)的直流電流超過(guò)該值時(shí)，無(wú)法保障質(zhì)量。功率電感器的額定電流有兩種，一種規定了直流疊加額定電流（Saturation），另一種規定了溫升額定電流（Temperature）。各自具有重要含義，往往分別記載技術(shù)規格。

 

?。┲绷鳢B加額定電流 Isat

 

電感器的特性之一是直流疊加特性。為了獲取高電感，電感器的芯部（磁心）采用鐵氧體等磁性體材料。電流通過(guò)電感器時(shí)，會(huì )產(chǎn)生磁性體的磁飽和現象，電感會(huì )下降。將這種特性稱(chēng)為直流疊加特性。直流疊加額定電流規定了電感相對于未疊加電流的初始特性下降一定比例時(shí)的電流值。

 

ⅱ）溫升額定電流 Itemp

 

這是以元件的發(fā)熱為指標的額定電流規定，超過(guò)該范圍使用，會(huì )導致元件損壞或組件故障。一般來(lái)說(shuō)是按溫度上升⊿40℃的電流值規定的。

 

下面看一下作為功率電感器使用時(shí)，應該如何決定這些額定電流。如圖1-3所示，電感器中最大通過(guò)Iout+⊿IL/2的電流。如果電流值在Isat以上，電感的下降就會(huì )增大，如圖1-4的紅線(xiàn)所示，三角波電流的形狀異常，紋波電流增加。由于紋波電流成為改變輸出電壓的因素，如果紋波電流增加，就會(huì )引起負載端系統動(dòng)作異常。因此，必須選定Isat在最大電流以上的產(chǎn)品。

 

至于溫升額定電流，即使超過(guò)額定值，電感器也不會(huì )馬上損壞。因此，應以Itemp值在Iout以上為標準選定。

 

圖1-4 直流疊加特性引起的紋波電流變動(dòng)

 

＜直流阻抗 Rdc＞

 

表示通過(guò)直流電時(shí)的阻抗值。由于該阻抗值，因發(fā)熱而產(chǎn)生電力損耗，所以直流阻抗越小損耗越少。但是，減小Rdc與直流疊加特性、尺寸小型化等存在折衷關(guān)系。只要從上述的滿(mǎn)足電感、額定電流等必要特性的電感器當中，選定Rdc更小的產(chǎn)品即可。

 

＜工作溫度范圍＞

 

這是規定使用電感器時(shí)的環(huán)境溫度容許范圍的參數。溫度的影響因電路的工作環(huán)境而異，因此要設想實(shí)際使用環(huán)境后選定。

 

下面看一下實(shí)際的DC-DC轉換器的功率電感器選定示例。以圖1-5所示的降壓DC-DC轉換器為例。這里假設在下列條件下動(dòng)作的情況。

 

圖1-5 降壓DC-DC轉換器事例

 

根據以下算式，適當電感的大小約為1.0μH。

 

 

同時(shí)，Iout=1.5A，⊿IL約為Iout的30%，即0.45A，因此最大電流為如下所示：

Iout+⊿IL/2＝1.725A

 

如此一來(lái)，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的電感器。

 

只要使用村田的設計輔助軟件“SimSurfing/DC-DC轉換器設計輔助工具”，即可根據所要求的技術(shù)規格搜索最佳產(chǎn)品。如圖1-6的紅框所示，在搜索項目中輸入電感、尺寸、Itemp、Isat的要求值后，即在藍框部分列表顯示符合條件的產(chǎn)品。

 

圖1-6 利用設計輔助軟件“SimSurfing”根據條件搜索

 

如果選擇產(chǎn)品，還能比較直流疊加特性等基本特性。

 

在圖1-7中，選擇了

DFE252010F-1R0M

LQH2HPN1R0MGR

LQM2HPN1R0MGH

 

三種產(chǎn)品比較疊加特性。根據這些結果可知，在本事例中DFE252010F-1R0M滿(mǎn)足要求條件，具有低Rdc和高Isat特性。

 

圖1-7 利用設計輔助軟件“SimSurfing” 比較基本特性

 

1.3、功率電感器的類(lèi)型

 

下面介紹功率電感器的類(lèi)型。村田的功率電感器有三種結構的產(chǎn)品線(xiàn)，分別是金屬合金繞線(xiàn)型、鐵氧體繞線(xiàn)型、鐵氧體多層型。從可穿戴設備、智能手機等移動(dòng)設備到醫療、工業(yè)電器、汽車(chē)設備，對于廣泛用途，提供最佳電感器。

 

圖1-8 功率電感器的結構

 

下面分別介紹各種結構的特點(diǎn)和技術(shù)。

 

＜金屬合金繞線(xiàn)型＞

 

金屬合金繞線(xiàn)型是采用繞線(xiàn)和涂布了樹(shù)脂的金屬磁性粉熱壓而成電感器。從大型產(chǎn)品到小型產(chǎn)品，可以適用于大電流領(lǐng)域。金屬磁性材料與后述的鐵氧體材相比，雖然透磁率較低，但卻具有出色的直流疊加特性，屬于適合大電流的材料。近年來(lái)，DC-DC轉換器的開(kāi)關(guān)速度不斷提高，低電感需求日益增加，金屬合金繞線(xiàn)型在大部分市場(chǎng)逐漸成為主要商品。

 

此外，金屬磁性材料還有一大特點(diǎn)，就是溫度特性?xún)?yōu)于鐵氧體材料。導磁率受環(huán)境溫度的影響很小，因此在高溫時(shí)也能保持穩定的直流疊加特性。目標市場(chǎng)涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括汽車(chē)、智能手機、HDD等等。

 

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圖1-9 金屬合金繞線(xiàn)型的結構與外觀(guān)

 

金屬合金繞線(xiàn)型技術(shù)包括金屬磁性材料及其加工技術(shù)、采用了銅絲的繞線(xiàn)技術(shù)（圖1-10）。村田確立了自己的材料技術(shù)，可以實(shí)現獨特的繞線(xiàn)結構、高導磁率及高絕緣性。依靠這些技術(shù)的融合，可以提高電感的獲取效率、降低直流阻抗，實(shí)現支持大電流的產(chǎn)品線(xiàn)。

 

圖1-10 金屬合金繞線(xiàn)型的截面圖

 

＜鐵氧體繞線(xiàn)型＞

 

鐵氧體繞線(xiàn)型電感器是將銅絲在鐵氧體芯部盤(pán)繞成螺旋狀。村田的大多數鐵氧體繞線(xiàn)型，都在鐵氧體芯部盤(pán)繞的銅絲上涂布了磁性樹(shù)脂。樹(shù)脂涂層的目的是減少漏磁通，提高電感的獲取效率和強度。因為鐵氧體的導磁率很高，在高電感領(lǐng)域使用時(shí)，選擇鐵氧體繞線(xiàn)型有利。目標市場(chǎng)涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括智能手機、TV、HDD等等。

 

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圖1-11 鐵氧體繞線(xiàn)型的結構與外觀(guān)

 

鐵氧體繞線(xiàn)型技術(shù)、包括鐵氧體材料和磁性樹(shù)脂材料技術(shù)、鐵氧體芯形成技術(shù)以及從細線(xiàn)到粗線(xiàn)對應的繞組技術(shù)(圖1-12)。村田將這些技術(shù)相結合,實(shí)現了尺寸種類(lèi)繁多和廣泛的電感產(chǎn)品。

 

圖1-12 鐵氧體繞線(xiàn)型的截面圖

 

＜鐵氧體多層型＞

 

鐵氧體多層型電感器是將磁性材料與內部電極交互疊加燒結而成的。與繞線(xiàn)結構相比，可以實(shí)現小型化、薄型化。對于小型低電感需求，使用金屬合金繞線(xiàn)型的情況日益增加，小型大L、高耐壓領(lǐng)域越來(lái)越需要鐵氧體多層型的特性。

 

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圖1-13 鐵氧體多層型的結構與外觀(guān)

 

鐵氧體多層型技術(shù)，包括鐵氧體材料技術(shù)、高縱橫比的內部電極形成技術(shù)、電路設計技術(shù)、疊層技術(shù)（圖1-14）。村田獲得了無(wú)法靠傳統的疊片實(shí)現的內部電極高縱橫比技術(shù)，可以進(jìn)一步降低阻抗。同時(shí)，依靠高自由度的磁路間隙形成技術(shù)，抑制磁飽和，實(shí)現了優(yōu)異的直流疊加特性。依靠這些技術(shù)，實(shí)現了支持需要小型化和薄型化領(lǐng)域的產(chǎn)品線(xiàn)。

 

圖1-14 鐵氧體多層型的截面圖

 

下面比較一下上述各種結構的功率電感器的性能。

 

＜功率電感器的性能比較＞

 

要比較的功率電感器性能，主要有1)電感值、2)直流疊加特性、3)溫度特性、4)耐電壓、5)漏磁通。了解這些信息，就能分別選擇結構適合各種必要性能的功率電感器。

 

1) 電感值

 

電感值的可獲取范圍，取決于功率電感器的結構。鐵因為鐵氧體材料的導磁率高，氧體繞線(xiàn)型可以獲取10uH以上的高電感，范圍廣泛。鐵氧體多層型的提及比繞線(xiàn)型小，因此屬于10uH以下的低電感領(lǐng)域。金屬合金繞線(xiàn)型也因為其材料特性，最適合10uH以下的低電感。

 

圖1-15 各種結構的電感范圍

 

2) 直流疊加特性

 

數字電路之類(lèi)的大電流通過(guò)的電路，要求功率電感器的電感不因大電流而下降，也就是說(shuō)，需要直流疊加特性?xún)?yōu)良的功率電感器。這是因為電感不下降，紋波電流就能固定不變，從而保持穩定的電路動(dòng)作。金屬合金繞線(xiàn)型與鐵氧體型相比，不易產(chǎn)生磁飽和，因此具備出色的直流疊加特性。

 

圖1-16 各種結構的疊加特性
 

3) 溫度特性

 

就像汽車(chē)用電源電路一樣，在高溫下使用功率電感器時(shí)，其溫度特性非常重要。磁性材料具有導磁率隨溫度變化的溫度特性，與鐵氧體相比，溫度對金屬磁性材料導磁率的影響較小，可以說(shuō)這一特性非常出色。

 

金屬合金繞線(xiàn)型的電感值和直流疊加特性變化不大。圖1-17是環(huán)境溫度25℃～125℃時(shí)，金屬合金繞線(xiàn)型與鐵氧體品的直流疊加特性?？梢?jiàn)金屬合金繞線(xiàn)型在125℃時(shí)，其特性與25℃時(shí)沒(méi)有區別。

 

圖1-17 各種結構的溫度特性
 

4) 耐電壓

 

LED等升壓電路、高降壓比的電源電路，必須注意功率電感器的耐電壓。金屬合金繞線(xiàn)型采用絕緣樹(shù)脂覆蓋金屬磁粉，確保其絕緣性，與鐵氧體繞線(xiàn)型相比，有絕緣性較低的趨勢。因此，金屬合金繞線(xiàn)型具有許多出色的特性，在高耐電壓下使用時(shí)必須確認。

 

5) 漏磁通

 

來(lái)自電感器的漏磁通，會(huì )作為一種噪聲，對其他電路產(chǎn)生影響；特別是元件之間的距離受到制約的電源電路，可能會(huì )導致信號等級下降或失靈等。漏磁通的大小往往取決于電感器的結構，屬于閉合磁路結構的金屬合金繞線(xiàn)型和鐵氧體多層型有利。這是因為要想獲取相同電感時(shí)，采用金屬合金繞線(xiàn)型、鐵氧體多層型，可以減少漏到外部的磁通（圖1-18）。各種結構的漏磁通的比較結果如圖1-19所示。根據其結果可知，金屬合金繞線(xiàn)型、鐵氧體多層型與鐵氧體繞線(xiàn)型相比，漏磁通被控制在較低水平。

 

圖1-18 金屬合金繞線(xiàn)型與鐵氧體多層型的截面圖

 

圖1-19 各種結構的漏磁通
 

表1匯總了這些性能比較結果。選擇功率電感器時(shí)，請以這些為參考，選擇適合用途的產(chǎn)品。

 

表1 各種結構的性能比較

 

 

最后介紹這些功率電感器的推薦產(chǎn)品線(xiàn)。功率電感器的用途，大致可以分為一般用和車(chē)載用，這里是根據電感值和尺寸介紹一般用的示例。金屬合金繞線(xiàn)型可以采用廣泛的電感值和尺寸。鐵氧體繞線(xiàn)型的優(yōu)勢是屬于高電感產(chǎn)品，鐵氧體多層型的優(yōu)勢是屬于小型產(chǎn)品。

 

圖1-20 功率電感器（一般用）的產(chǎn)品線(xiàn)
 

1.4、選定功率電感器時(shí)的課題

 

在1.1～1.3章中說(shuō)明了功率電感器特性的看法、制作工藝特點(diǎn)的差異?？墒?，設計人員最為關(guān)心的并非功率電感器本身的特性，而是在DC-DC轉換器中使用時(shí)的性能。

 

圖1-21表示同樣尺寸和L值的金屬合金繞線(xiàn)型與鐵氧體多層型的DC-DC轉換器的效率測量結果示例。根據圖1-21可知，根據元件的類(lèi)型，效率差別很大，約為3%。

 

可是，令人遺憾的是無(wú)法根據此次說(shuō)明的技術(shù)規格理解這種差異。要想根據實(shí)際性能選定商品，必須更加深入理解功率電感器的特性，并根據DC-DC轉換器的工作條件進(jìn)行評估。

 

因此，將在下一章中說(shuō)明DC-DC轉換器的動(dòng)作原理，以及DC-DC轉換器性能與功率電感器技術(shù)規格的關(guān)系。此外，關(guān)于如何利用村田DC-DC轉換器設計輔助工具評估功率電感器在DC-DC轉換器上的實(shí)際性能，也展示實(shí)際案例。

 

圖1-21 金屬合金繞線(xiàn)型與鐵氧體多層型的效率測量結果
 

（來(lái)源： 貿澤工程師社區，文章轉載自村田中文技術(shù)社區）