功率電感器特性相關的參數相互間存在複雜的權衡關係

 

功率電感器的設計難度在於其特性會隨電流大小或溫度等而發生變化。例如，電感（L）擁有隨電流增大而降低的性質（直流重疊特性）
，同時，隨著電流增大，溫度會隨之上升，由此磁芯導磁率(μ)及飽和磁通密度（Bs）會發生變化。即使電感值相同
，直流電阻（Rdc）值也會隨繞組的粗細及匝數變化，並且發熱的程度也會有所不同。此外，磁屏蔽結構的差異也會對噪音特性造成影響。

 

此類參數相互之間存在複雜的權衡關係，從DC-DC轉換器的效率、尺寸以及成本等綜合角度出發選擇最佳的功率電感器十分重要。

 

重點功率電感器的磁性體磁芯分為鐵氧體類與金屬類兩大類

 

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
，磁芯材料使用有鐵氧體類與金屬類磁性體。鐵氧體類磁芯中μ較高，由於高電感、金屬磁性材料磁芯的飽和磁通密度優異
，因此適合大電流化。

 

重點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。

 

磁芯變為磁飽和後電感值將會下降。可在非磁飽和狀態下流過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，繞組電阻引起的發熱中所規定的為溫度上升允許電流（例：因自發熱導致溫度上升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發生變化

 

重zhong點dian因yin為wei溫wen度du上shang升sheng導dao致zhi的de主zhu要yao損sun失shi為wei繞rao組zu引yin起qi的de銅tong損sun以yi及ji磁ci芯xin材cai料liao引yin起qi的de鐵tie損sun繞rao組zu引yin起qi的de損sun耗hao稱cheng為wei銅tong損sun，磁ci芯xin材cai料liao引yin起qi的de損sun耗hao稱cheng為wei鐵tie損sun。銅tong損sun主zhu要yao為wei繞rao組zu直zhi流liu電dian阻zu（Rdc）引起的損耗（直流銅損），其與電流2次方成比例增大。同時
，其擁有頻率越高，交流電流越會集中在導體表麵附近流過，實際電阻值增加的性質（趨膚效應）

，在高頻範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2cifangchengzhengbi，yincizaigaopinlvfanweineiwoliusunhaoyinqidecixinsunshihuizengjia。shixiangaoxiaohuadezhongdianzaiyujishizaigaopinfanweineiyexuanzeshiyongcixinsunshijiaoshaodecixincailiao。

 

圖2　功率電感器損耗原因

 

重點中～重負荷時主要為銅損，而輕負荷時則主要為鐵損

 

功率電感器的損耗會因負荷大小而發生變化。中～重負荷時流過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yin起qi的de銅tong損sun。而er在zai輕qing負fu荷he時shi

，由you於yu幾ji乎hu不bu會hui流liu過guo直zhi流liu偏pian置zhi電dian流liu
，因yin此ci銅tong損sun會hui下xia降jiang，但dan在zai待dai機ji狀zhuang態tai下xia也ye會hui有you一yi定ding頻pin率lv的de開kai關guan工gong作zuo，因yin此ci主zhu要yao為wei磁ci芯xin材cai料liao的de鐵tie損sun，從cong而er效xiao率lv會hui大da幅fu下xia降jiang（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

 

重點非連續模式中的使用會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

，隨著開關器件的ON/OFF，會流過三角波相連的波形的波紋電流（ΔIL）（圖4）。中～重負荷時
，直流偏置電流會與波紋電流重疊
，因此電感器電流不會中斷。這稱為連續模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二極管整流型的DC-DC轉換器在Iout＜1/2ΔIL的de輕qing負fu荷he中zhong會hui產chan生sheng電dian感gan器qi電dian流liu變bian為wei零ling的de期qi間jian。這zhe稱cheng為wei非fei連lian續xu模mo式shi，電dian感gan器qi電dian流liu會hui發fa生sheng中zhong斷duan，從cong而er會hui對dui電dian源yuan穩wen定ding性xing造zao成cheng影ying響xiang。同tong時shi，變bian為wei非fei連lian續xu模mo式shi時shi會hui發fa生sheng嘯xiao叫jiao
，或huo在zai因yin開kai關guan引yin起qi的de脈mai衝chong狀zhuang電dian壓ya波bo形xing中zhong產chan生sheng振zhen蕩dang，從cong而er會hui產chan生sheng噪zao音yin。

 

圖4　二極管整流型DC-DC轉換器的連續模式與非連續模式

 

重點設置電感值來使波紋電流變為額定電流的20～30%

 

波紋電流的大小與功率電感器的電感值有關。因此在二極管整流型DC-DC轉換器的設計中，會通過限製波紋電流來避免因非連續模式導致的問題。功率電感器所需電感值L通過如下公式計算。

 

電感值L=(施加於電感器的電壓/波紋電流)×Ton

 

tongguogaigongshikemingquediangandaxiaoyubowendianliudaxiaocunzaiquanhengguanxi。congchicunyuchengbenfangmiankaolvershiyongdianganjiaoxiaodegonglvdianganqishi
，bowendianliuhuizengda。xiangfan，xiangyaojianxiaobowendianliushizexuyaojiaodadediangan，qibujinhuiduichicunjichengbenfangmianzaochengbuli，tongshizaihoushufuhejijubianhuashideguoduxiangyingtexingyehuibiancha。yincizaitongchangqingkuangxia，yingshezhidianganzhilaishibowendianliubianweiedingdianliude20～30%(額定電流的10%左右時不連續)（圖5）。

 

圖5　波紋電流與電感值的關係

 

重點通過合理降低電感值可改善負荷響應特性

 

在zai負fu荷he劇ju增zeng等deng情qing況kuang下xia，輸shu出chu電dian壓ya會hui下xia降jiang，為wei進jin行xing恢hui複fu
，功gong率lv電dian感gan器qi中zhong會hui短duan時shi間jian流liu過guo過guo大da的de峰feng值zhi電dian流liu，用yong以yi對dui負fu荷he電dian流liu與yu輸shu出chu電dian容rong器qi進jin行xing充chong電dian。在zai波bo紋wen電dian流liu較jiao小xiao的de設she置zhi下xia
，可ke能neng會hui無wu法fa得de到dao為wei了le立li即ji從cong輸shu出chu電dian壓ya大da幅fu下xia降jiang狀zhuang態tai下xia恢hui複fu所suo需xu的de過guo渡du響xiang應ying特te性xing。因yin此ci需xu要yao采cai取qu降jiang低di電dian感gan值zhi來lai增zeng大da波bo紋wen電dian流liu的de方fang法fa。如ru圖tu6所(suo)示(shi)
，若(ruo)負(fu)荷(he)響(xiang)應(ying)特(te)性(xing)較(jiao)差(cha)
，則(ze)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)將(jiang)會(hui)大(da)幅(fu)降(jiang)低(di)，但(dan)通(tong)過(guo)合(he)理(li)降(jiang)低(di)電(dian)感(gan)值(zhi)增(zeng)大(da)波(bo)紋(wen)電(dian)流(liu)
，則(ze)電(dian)感(gan)器(qi)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)將(jiang)會(hui)變(bian)大(da)

，電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)幅(fu)度(du)將(jiang)會(hui)減(jian)少(shao)，恢(hui)複(fu)將(jiang)會(hui)更(geng)快(kuai)。但(dan)降(jiang)低(di)電(dian)感(gan)值(zhi)時(shi)，在(zai)綜(zong)合(he)考(kao)慮(lv)平(ping)衡(heng)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)進(jin)行(xing)設(she)置(zhi)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

 

圖6　降低電感值時的過渡響應特性改善效果

 

重點為應對負荷急劇變化時發生的峰值電流，將電流峰值設置為過電流設置值的110~130%

在開關器件及控製電流等模塊化的電源ICzhongneizhiyouguodianliubaohudianlu。guodianliushezhizhijijiancefangfadengyouduogezhonglei，zaixuanzewaijiedegonglvdianganqishixuyaotongshikaolvguodianliubaohudianlu。xiangduiyufengzhidianliu，ruogonglvdianganqideyunxudianliuwuchongfenrongyu，zekenenghuiyinguodianliubaohudianlugongzuoeryinqishuchutingzhi。yibanqingkuangxia，liuguogonglvdianganqidedianliufengzhishezhiweiguodianliushezhizhide110~130%左右。同時
，如圖7的直流重疊特性圖標所示，當流過過大的峰值電流時，磁芯的磁飽和擁有較柔和的特性（軟飽和）
，適用於不會發生電感值急劇下降的金屬類電感器。

 

圖7　鐵氧體類與金屬類的直流重疊特性比較

 

同時注意漏磁或嘯叫

 

重點功率電感器產生的漏磁會對周圍造成影響，是引起噪音的原因

功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)漏(lou)磁(ci)較(jiao)大(da)時(shi)會(hui)對(dui)周(zhou)圍(wei)元(yuan)件(jian)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)
，並(bing)會(hui)產(chan)生(sheng)噪(zao)音(yin)。為(wei)降(jiang)低(di)漏(lou)磁(ci)可(ke)使(shi)用(yong)擁(yong)有(you)磁(ci)屏(ping)蔽(bi)結(jie)構(gou)的(de)功(gong)率(lv)電(dian)感(gan)器(qi)，因(yin)此(ci)選(xuan)擇(ze)合(he)理(li)類(lei)型(xing)的(de)產(chan)品(pin)十(shi)分(fen)重(zhong)要(yao)。

 

重點在輕負荷下采用PFM方式時會發生功率電感器的“嘯叫”問題

為改善DC-DC轉換器效率，在輕負荷狀態下還會采用從在一定頻率下進行開關來控製脈寬的PWM模式替換為固定脈寬來控製頻率的PFM（脈衝頻率調製）模式的方法。但開關頻率在20kHz及以下時，由磁芯的磁致伸縮作用及磁性吸引引起的振動會引發“嘯叫”的問題，因此需要注意。負荷電流的過渡變動也會產生嘯叫。

 

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的功率電感器特性，表2總結了TDK的主要功率電感器種類。詳細特性及規格請使用TDK產品中心的產品信息、選型指南以及特性值搜索等來查看。

 

 表1　DC-DC轉換器的要求特性與功率電感器