簡介

在開關(guān)電源的設(shè)計中電感的設(shè)計為工程師帶來的許多的挑戰(zhàn)。工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機械尺寸等等。本文專注于解釋：電感上的 DC 電流效應(yīng)。這也會為選擇合適的電感提供必要的信息。

 

理解電感的功能

▼

電感常常被理解為開關(guān)電源輸出端中的 LC 濾波電路中的 L（C 是其中的輸出電容）。雖然這樣理解是正確的，但是為了理解電感的設(shè)計就必須更深入的了解電感的行為。

在降壓轉(zhuǎn)換中（Fairchild 典型的開關(guān)控制器），電感的一端是連接到 DC 輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或 GND。

在狀態(tài) 1 過程中，電感會通過（高邊 “high-side”）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài) 2 過程中，電感連接到 GND。由于使用了這類的控制器，可以采用兩種方式實現(xiàn)電感接地：通過 二極管接地或通過（低邊“low-side”）MOSFET 接地。如果是后一種方式，轉(zhuǎn)換器就稱為“同步（synchronus）”方式。

 

現(xiàn)在再考慮一下在這兩個狀態(tài)下流過電感的電流是如果變化的。在狀態(tài) 1 過程中，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器，輸 入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。相反，在狀態(tài) 2 過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必 然為正端，因此會在電感上形成負向的壓降。

 

我們利用電感上電壓計算公式：

V=L(dI/dt)

 

因此，當(dāng)電感上的電壓為正時（狀態(tài) 1），電感上的電流就會增加；當(dāng)電感上的電壓為負時（狀態(tài) 2），電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖 2 所示：

通過上圖我們可以看到，流過電感的電流為 DC 電流加開關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據(jù)上述的公式，我們可以計算出峰值電流：

其中，ton 是狀態(tài) 1 的時間，T 是開關(guān)周期（開關(guān)頻率的倒數(shù)），DC 為狀態(tài) 1 的占空比。

 

警告：上面的計算是假設(shè)各元器件（MOSFET 上的導(dǎo)通壓降，電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降）上的壓降對比輸入和輸出電壓是可以忽略的。

 

如果，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作計算：

同步轉(zhuǎn)換電路：

 

異步轉(zhuǎn)換電路：

其中，Rs 為感應(yīng)電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R 是 Rs 加 MOSFET 導(dǎo)通電阻，R=Rs+Rm。

 

電感磁芯的飽和度 ▼

 

通過已經(jīng)計算的電感峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會知道，隨著通過電感的電流增加，它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決 定的。電感量會減少多少就很重要了：如果電感量減小很多，轉(zhuǎn)換器就不會正常工作了。當(dāng)通過電感的電流大到電感實效的程度，此時的電流稱為“飽和電流”。這 也是電感的基本參數(shù)。

 

實際上，轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會有一個“軟”飽和度。要了解這個概念可以觀察實際測量的電感 Vs DC 電流的曲線：

當(dāng)電流增加到一定程度后，電感量就不會急劇下降了，這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加，電感就會損壞了。

 

注意：電感量下降在很多類的電感中都會存在。例如：toroids，gapped E-cores 等。但是，rod core 電感就不會有這種變化。

 

有了這個軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉(zhuǎn)換器中為什么都會規(guī)定在 DC 輸出電流下的電感量；而且由于紋波電流的變化也不會嚴重影響電感量。在 所有的應(yīng)用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什么大家總是很關(guān)心 DC 輸出電流下的電感量，而會在 Spec 中忽略紋波電流 下的電感量。