【導讀】電子設備在變得高性能的同時(shí)，會(huì )通過(guò)降低其所使用的LSI電源電壓來(lái)實(shí)現低耗電量以及高速化。電源電壓下降時(shí)，電壓變動(dòng)的要求值將會(huì )變得更為嚴格，為滿(mǎn)足此要求特性，高性能DC-DC轉換器的需求不斷增加，而功率電感器則是左右其性能的重要元件。本文重點(diǎn)介紹功率電感器的高效使用方法以及選擇方法。
電子設備在變得高性能的同時(shí)，會(huì )通過(guò)降低其所使用的LSI電源電壓來(lái)實(shí)現低耗電量以及高速化。電源電壓下降時(shí)，電壓變動(dòng)的要求值將會(huì )變得更為嚴格，為滿(mǎn)足此要求特性，高性能DC-DC轉換器的需求不斷增加，而功率電感器則是左右其性能的重要元件。本文重點(diǎn)介紹功率電感器的高效使用方法以及選擇方法。
功率電感器是左右DC-DC轉換器性能的重要元件
電感器（線(xiàn)圈）可使直流電流順利流過(guò)，而對于發(fā)生變化的電流，則會(huì )產(chǎn)生妨礙其變化的電動(dòng)勢。這稱(chēng)為自感應，針對交流電流，其擁有頻率越高越難通過(guò)的性質(zhì)。為此，當電流流過(guò)電感器時(shí)會(huì )將其儲存為能量，屏蔽電流時(shí)會(huì )釋放能量。功率電感器正是利用了此性質(zhì)，并且主要用于DC-DC轉換器等電源電路中。
圖1為降壓型DC-DC轉換器（二極管整流型）的基本電路，功率電感器是左右其性能的重要元件。
圖1 降壓型DC-DC轉換器（二極管整流型）的基本電路
功率電感器特性相關(guān)的參數相互間存在復雜的權衡關(guān)系
功率電感器的設計難度在于其特性會(huì )隨電流大小或溫度等而發(fā)生變化。例如，電感（L）擁有隨電流增大而降低的性質(zhì)（直流重疊特性），同時(shí)，隨著(zhù)電流增大，溫度會(huì )隨之上升，由此磁芯導磁率(μ)及飽和磁通密度（Bs）會(huì )發(fā)生變化。即使電感值相同，直流電阻（Rdc）值也會(huì )隨繞組的粗細及匝數變化，并且發(fā)熱的程度也會(huì )有所不同。此外，磁屏蔽結構的差異也會(huì )對噪音特性造成影響。
此類(lèi)參數相互之間存在復雜的權衡關(guān)系，從DC-DC轉換器的效率、尺寸以及成本等綜合角度出發(fā)選擇最佳的功率電感器十分重要。
重點(diǎn)功率電感器的磁性體磁芯分為鐵氧體類(lèi)與金屬類(lèi)兩大類(lèi)
功率電感器根據不同工藝可大致分為繞組型、積層型、薄膜型。同時(shí)，磁芯材料使用有鐵氧體類(lèi)與金屬類(lèi)磁性體。鐵氧體類(lèi)磁芯中μ較高，由于高電感、金屬磁性材料磁芯的飽和磁通密度優(yōu)異，因此適合大電流化。
重點(diǎn)功率電感器的額定電流分為直流重疊允許電流與溫度上升允許電流兩種。
磁芯變?yōu)榇棚柡秃箅姼兄祵?huì )下降?？稍诜谴棚柡蜖顟B(tài)下流過(guò)的最大電流為直流重疊允許電流（例：相比初始電感值降低40%）。同時(shí)，繞組電阻引起的發(fā)熱中所規定的為溫度上升允許電流（例：因自發(fā)熱導致溫度上升40℃）。一般情況下，該兩種允許電流中，較小的一方為額定電流。
根據負荷大小或頻率不同損耗也會(huì )發(fā)生變化
重點(diǎn)因為溫度上升導致的主要損失為繞組引起的銅損以及磁芯材料引起的鐵損繞組引起的損耗稱(chēng)為銅損，磁芯材料引起的損耗稱(chēng)為鐵損。銅損主要為繞組直流電阻（Rdc）引起的損耗（直流銅損），其與電流2次方成比例增大。同時(shí)，其擁有頻率越高，交流電流越會(huì )集中在導體表面附近流過(guò)，實(shí)際電阻值增加的性質(zhì)（趨膚效應），在高頻范圍中還加上交流電流引起的銅損（交流銅損）。
鐵損主要包括磁滯損耗與渦流損耗。渦流損耗與頻率的2次方成正比，因此在高頻率范圍內渦流損耗引起的磁芯損失會(huì )增加。實(shí)現高效化的重點(diǎn)在于即使在高頻范圍內也選擇使用磁芯損失較少的磁芯材料。
圖2 功率電感器損耗原因
重點(diǎn)中～重負荷時(shí)主要為銅損，而輕負荷時(shí)則主要為鐵損
功率電感器的損耗會(huì )因負荷大小而發(fā)生變化。中～重負荷時(shí)流過(guò)電感器的電流中直流偏置電流較大，因此主要為繞組的直流電阻（Rdc）引起的銅損。而在輕負荷時(shí)，由于幾乎不會(huì )流過(guò)直流偏置電流，因此銅損會(huì )下降，但在待機狀態(tài)下也會(huì )有一定頻率的開(kāi)關(guān)工作，因此主要為磁芯材料的鐵損，從而效率會(huì )大幅下降（圖3）。
圖3 DC-DC轉換器負荷大小與功率電感器損耗的不同
兼顧波紋電流的合理電感值的規定方式十分重要
重點(diǎn)非連續模式中的使用會(huì )對電源穩定性造成影響
降壓型DC-DC轉換器的功率電感器中，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)器件的ON/OFF，會(huì )流過(guò)三角波相連的波形的波紋電流（ΔIL）（圖4）。中～重負荷時(shí)，直流偏置電流會(huì )與波紋電流重疊，因此電感器電流不會(huì )中斷。這稱(chēng)為連續模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二極管整流型的DC-DC轉換器在Iout＜1/2ΔIL的輕負荷中會(huì )產(chǎn)生電感器電流變?yōu)榱愕钠陂g。這稱(chēng)為非連續模式，電感器電流會(huì )發(fā)生中斷，從而會(huì )對電源穩定性造成影響。同時(shí)，變?yōu)榉沁B續模式時(shí)會(huì )發(fā)生嘯叫，或在因開(kāi)關(guān)引起的脈沖狀電壓波形中產(chǎn)生振蕩，從而會(huì )產(chǎn)生噪音。
圖4 二極管整流型DC-DC轉換器的連續模式與非連續模式
重點(diǎn)設置電感值來(lái)使波紋電流變?yōu)轭~定電流的20～30%
波紋電流的大小與功率電感器的電感值有關(guān)。因此在二極管整流型DC-DC轉換器的設計中，會(huì )通過(guò)限制波紋電流來(lái)避免因非連續模式導致的問(wèn)題。功率電感器所需電感值L通過(guò)如下公式計算。
電感值L=(施加于電感器的電壓/波紋電流)×Ton
通過(guò)該公式可明確電感大小與波紋電流大小存在權衡關(guān)系。從尺寸與成本方面考慮而使用電感較小的功率電感器時(shí)，波紋電流會(huì )增大。相反，想要減小波紋電流時(shí)則需要較大的電感，其不僅會(huì )對尺寸及成本方面造成不利，同時(shí)在后述負荷急劇變化時(shí)的過(guò)渡響應特性也會(huì )變差。因此在通常情況下，應設置電感值來(lái)使波紋電流變?yōu)轭~定電流的20～30%(額定電流的10%左右時(shí)不連續)（圖5）。
圖5 波紋電流與電感值的關(guān)系
重點(diǎn)通過(guò)合理降低電感值可改善負荷響應特性
在負荷劇增等情況下，輸出電壓會(huì )下降，為進(jìn)行恢復，功率電感器中會(huì )短時(shí)間流過(guò)過(guò)大的峰值電流，用以對負荷電流與輸出電容器進(jìn)行充電。在波紋電流較小的設置下，可能會(huì )無(wú)法得到為了立即從輸出電壓大幅下降狀態(tài)下恢復所需的過(guò)渡響應特性。因此需要采取降低電感值來(lái)增大波紋電流的方法。如圖6所示，若負荷響應特性較差，則輸出電壓將會(huì )大幅降低，但通過(guò)合理降低電感值增大波紋電流，則電感器電流變化將會(huì )變大，電壓下降幅度將會(huì )減少，恢復將會(huì )更快。但降低電感值時(shí)，在綜合考慮平衡的情況下進(jìn)行設置十分重要。
圖6 降低電感值時(shí)的過(guò)渡響應特性改善效果
重點(diǎn)為應對負荷急劇變化時(shí)發(fā)生的峰值電流，將電流峰值設置為過(guò)電流設置值的110~130%
在開(kāi)關(guān)器件及控制電流等模塊化的電源IC中內置有過(guò)電流保護電路。過(guò)電流設置值及檢測方法等有多個(gè)種類(lèi)，在選擇外接的功率電感器時(shí)需要同時(shí)考慮過(guò)電流保護電路。相對于峰值電流，若功率電感器的允許電流無(wú)充分冗余，則可能會(huì )因過(guò)電流保護電路工作而引起輸出停止。一般情況下，流過(guò)功率電感器的電流峰值設置為過(guò)電流設置值的110~130%左右。同時(shí)，如圖7的直流重疊特性圖標所示，當流過(guò)過(guò)大的峰值電流時(shí)，磁芯的磁飽和擁有較柔和的特性（軟飽和），適用于不會(huì )發(fā)生電感值急劇下降的金屬類(lèi)電感器。
圖7 鐵氧體類(lèi)與金屬類(lèi)的直流重疊特性比較
同時(shí)注意漏磁或嘯叫
重點(diǎn)功率電感器產(chǎn)生的漏磁會(huì )對周?chē)斐捎绊?，是引起噪音的原?/div>
功率電感器產(chǎn)生的漏磁較大時(shí)會(huì )對周?chē)斐捎绊?，并?huì )產(chǎn)生噪音。為降低漏磁可使用擁有磁屏蔽結構的功率電感器，因此選擇合理類(lèi)型的產(chǎn)品十分重要。
重點(diǎn)在輕負荷下采用PFM方式時(shí)會(huì )發(fā)生功率電感器的“嘯叫”問(wèn)題
為改善DC-DC轉換器效率，在輕負荷狀態(tài)下還會(huì )采用從在一定頻率下進(jìn)行開(kāi)關(guān)來(lái)控制脈寬的PWM模式替換為固定脈寬來(lái)控制頻率的PFM（脈沖頻率調制）模式的方法。但開(kāi)關(guān)頻率在20kHz及以下時(shí)，由磁芯的磁致伸縮作用及磁性吸引引起的振動(dòng)會(huì )引發(fā)“嘯叫”的問(wèn)題，因此需要注意。負荷電流的過(guò)渡變動(dòng)也會(huì )產(chǎn)生嘯叫。
DC-DC轉換器的要求特性與功率電感器
表1總結了DC-DC轉換器的要求特性及其相關(guān)的功率電感器特性，表2總結了TDK的主要功率電感器種類(lèi)。詳細特性及規格請使用TDK產(chǎn)品中心的產(chǎn)品信息、選型指南以及特性值搜索等來(lái)查看。
表1 DC-DC轉換器的要求特性與功率電感器
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