【導(dǎo)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(dá)到的內(nèi)部電路性能是以怎樣的方式與供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中的信息相關(guān)聯(lián)的。此文為經(jīng)驗(yàn)豐富的功率轉(zhuǎn)換專家和非專業(yè)人員講解電感目錄和電感的重要規(guī)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(dá)到的內(nèi)部電路性能是以怎樣的方式與供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中的信息相關(guān)聯(lián)的。此文為經(jīng)驗(yàn)豐富的功率轉(zhuǎn)換專家和非專業(yè)人員講解電感目錄和電感的重要規(guī)格。
介紹
DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用越來越普遍了。由于電子系統(tǒng)越來越小型化、移動(dòng)化、復(fù)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(shè)備設(shè)計(jì)人員需要不停地尋找新的辦法來解決功率轉(zhuǎn)換問題。產(chǎn)品所提出的要求往往需要通過改進(jìn)性能和縮小尺寸來滿足，因此優(yōu)化就變得非常重要。對(duì)于功率轉(zhuǎn)換，并非所有應(yīng)用都能采用“一體適用”。例如，許多實(shí)際應(yīng)用中都需要采用像圖1這樣的薄型元件。
圖1：設(shè)計(jì)輕薄的轉(zhuǎn)換器需要使用薄形電感
除了轉(zhuǎn)換器批量采購的市場(chǎng)正在增長(zhǎng)外，許多電路設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在還會(huì)自行設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換電路，而非依賴電源專業(yè)公司，因而更多的電路設(shè)計(jì)人員可以自己選擇元件。基本的DC-DC轉(zhuǎn)換電路是非常成熟的技術(shù)，依然在緩慢地發(fā)展，因此專業(yè)作者可以編寫出實(shí)用的輔助設(shè)計(jì)資料，設(shè)備設(shè)計(jì)人員則可以借助這些材料設(shè)計(jì)出自己的轉(zhuǎn)換器。一些易于獲取的軟件也可以簡(jiǎn)化這些設(shè)計(jì)的過程1。
在確定電路拓?fù)浜螅O(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)之一是選擇元件。很多電路設(shè)計(jì)程序可以列出所要求的元件參數(shù)值，此時(shí)設(shè)計(jì)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(zhí)行工作。用于DC-DC轉(zhuǎn)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(duì)比不同的類型并選擇對(duì)具體應(yīng)用而言合適的元件，設(shè)計(jì)人員必須正確地理解為這些電感公布的規(guī)格。
圖2：用扁平線繞制的E形鐵芯電感
圖3：采用堅(jiān)固結(jié)構(gòu)的磁屏蔽型模壓電感，用于高密度電路
DC-DC轉(zhuǎn)換器要求
簡(jiǎn)而言之，DC-DC轉(zhuǎn)換器的功能就是在給定的輸入電壓下提供穩(wěn)定的直流輸出電壓。要在不超出給定的負(fù)載電流范圍和/或輸入電壓范圍的前提下調(diào)節(jié)直流輸出電壓，通常都需要使用轉(zhuǎn)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(guī)定水平之內(nèi)。此外，將功率從電源傳輸?shù)截?fù)載的過程也必須實(shí)現(xiàn)規(guī)定的效率級(jí)別。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，功率電感的選擇是一個(gè)重要的步驟。
功率電感參數(shù)
電感性能可以用幾個(gè)數(shù)字來說明。表1一份典型的電感數(shù)據(jù)表，這些數(shù)據(jù)描述了一個(gè)用于DC-DC轉(zhuǎn)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(cè)得
b、Isat為電感值下降30%時(shí)的典型值
c、Irms為引起40℃溫升時(shí)的典型值
d、所有參數(shù)均在25℃下測(cè)得
定義
L—電感值：電感的主要功能參數(shù)，通過轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)公式計(jì)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(zhǎng)度和直徑。
SRF—自諧頻率：電感線圈的電感值與其分布電容產(chǎn)生共振的頻率點(diǎn)。
Isat—飽和電流：通過電感時(shí)導(dǎo)致鐵芯飽和，致使電感值下降的電流。
Irms—均方根電流：連續(xù)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(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)所需電路功能的主要參數(shù)，也是大多數(shù)設(shè)計(jì)過程中第一個(gè)要計(jì)算的參數(shù)。該值是以提供一定的最小能量存儲(chǔ)量（或伏特-微秒容量）并減少輸出電流紋波為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算的。如果使用的電感值小于計(jì)算結(jié)果，會(huì)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(zhuǎn)換器在連續(xù)與非連續(xù)運(yùn)行模式之間變化。
公差
大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用對(duì)電感公差沒有特別嚴(yán)格的要求。對(duì)于大多數(shù)元件來說，選擇標(biāo)準(zhǔn)公差的產(chǎn)品合乎成本效益，并且能夠滿足絕大多數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求。表1的電感公差為±20%，該公差適用于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器。
測(cè)試條件
■ 電壓。額定電感值應(yīng)說明所采用的頻率和測(cè)試電壓。大多數(shù)目錄額定電感值是基于“小”正弦電壓。對(duì)于電感供應(yīng)商來說，這是最容易實(shí)現(xiàn)并且最便于重復(fù)應(yīng)用的方法，并且適于得出大多數(shù)應(yīng)用的電感值。
■ 波形。正弦電壓是標(biāo)準(zhǔn)的儀表測(cè)試條件，通常它能很好地確保得到的電感值與設(shè)計(jì)公式計(jì)算出的電感值匹配。
■ 測(cè)試頻率。大多數(shù)功率電感在20kHz~500kHz的范圍內(nèi)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(huì)減小。這種現(xiàn)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(shù)轉(zhuǎn)換器在50kHz~500kHz的范圍內(nèi)工作，因此100kHz是合適的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試頻率。當(dāng)開關(guān)頻率增加到500kHz、1MHz及以上，考慮使用基于實(shí)際應(yīng)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(gè)量度，嚴(yán)格基于銅線直徑和長(zhǎng)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(biāo)稱值。第二種方法通過給出標(biāo)稱值或預(yù)期電阻，可能更具指導(dǎo)性，但同時(shí)也可能會(huì)不必要地收緊規(guī)格，因?yàn)楫a(chǎn)品的電阻太小總不會(huì)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(yīng)考慮環(huán)境測(cè)試溫度，這是很重要的。銅電阻溫度系數(shù)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(chǎn)品在85℃下相應(yīng)的最大額定值為0.011歐，只差2毫歐，但總變化卻有25%。預(yù)期DCR與溫度間的關(guān)系如圖4所示。
圖4：基于25℃下最大0.009Ω Max的預(yù)期直流電阻
交流電阻
此參數(shù)一般不會(huì)在電感數(shù)據(jù)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(yīng)，大多數(shù)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(duì)于平均或直流電流要小，那么DCR是一個(gè)很好的電阻損耗度量標(biāo)準(zhǔn)。集膚效應(yīng)隨銅線直徑和頻率的變化而變化3，因此，要包含此數(shù)據(jù)，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(guó)線規(guī)22號(hào)圓銅線的交流電阻/直流電阻
這對(duì)低于500kHz的大多數(shù)應(yīng)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(gè)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(gòu)成問題。然而，如果頻率高于200-300kHz，建議的做法就是向供應(yīng)商索取損耗與頻率關(guān)系的信息，作為對(duì)所公布的信息的補(bǔ)充。
如果要盡量縮小元件的尺寸，設(shè)計(jì)人員應(yīng)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(yōu)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(jìn)行權(quán)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.
