BUCK電源中的電感

設(shè)計(jì)者必須在t解電感理論的基礎(chǔ)上，再根據(jù)結(jié)構(gòu)，額定電流，磁芯材料，磁芯損耗，溫度和飽和電流綜合評(píng)價(jià)，選擇最佳電感參數(shù)。另外值得慶的是，許多電感供應(yīng)商都提供尺寸和性能優(yōu)秀的產(chǎn)品，甚至還可以修改產(chǎn)品參數(shù)以滿足用戶需求的服務(wù)。

電感簡(jiǎn)介

電感、電阻和電容合稱為三大被動(dòng)元件，其電器特性雖然各有不同，但卻都是3C 產(chǎn)品中不可或缺的關(guān)鍵元件。電感的主要功能為穩(wěn)定電流與去除雜訊，另可搭配電阻與電容展現(xiàn)多種功能，故在機(jī)器、設(shè)備、消費(fèi)性電子、電力配輸與抑制電磁輻射方面被廣泛運(yùn)用。對(duì)電感的需求亦因而與日俱增。

電感的上游主要是以鎳鋅與錳鋅鐵氧體磁芯兩大系列為主，因材料特性之不同，分別應(yīng)用于資訊和通訊產(chǎn)品上。鐵氧體磁芯(Ferrite Core)是以高溫?zé)傻慕饘傺趸?，主要作為高頻線圈及變壓器等產(chǎn)品之磁芯。

電感的發(fā)展趨勢(shì)主要是因應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展而變化。在電腦及其周邊資訊產(chǎn)品方面，由于對(duì)空間需求的迫切性不高，電感的發(fā)展以朝向產(chǎn)品體積小型化與發(fā)展排列式晶片電感為主。在通訊產(chǎn)品方面，由于該類產(chǎn)品對(duì)空間需求迫切度高，因此電感器除了朝向小型化發(fā)展外，亦需進(jìn)一步開發(fā)整合型元件以因應(yīng)產(chǎn)品的需求;此外，為因應(yīng)產(chǎn)品高頻化的發(fā)展，電感亦需提高其使用頻率，而朝向陶瓷等高頻材料及元件開發(fā)。整體而言，未來電感器將朝向小型化、高頻化及整合化發(fā)展。

電感參數(shù)

當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)通過交流電流時(shí)，在導(dǎo)線的內(nèi)部及其周圍產(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。當(dāng)電感中通過直流電流時(shí)，其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線，不隨時(shí)間而變化;可是當(dāng)在線圈中通過交流電流時(shí)，其周圍將呈現(xiàn)出隨時(shí)間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律(Faraday's law)-磁生電來分析，電感則是電流通過線圈產(chǎn)生的磁通量(Flux)儲(chǔ)存在鐵心中蓄積能量(Φ=LI)，當(dāng)通過線圈的電流愈大時(shí)磁通量也相對(duì)愈大，即代表儲(chǔ)存的能量增加。產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：

如圖1 中，開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間段，電感L 內(nèi)的電流逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束后，進(jìn)入截止時(shí)間段，這時(shí)候由于L內(nèi)的電流達(dá)到最大值，電感中的電流不能突變，所以，繼續(xù)有電流流過，當(dāng)截止時(shí)間結(jié)束后，電感中的電流達(dá)到最小值，重新開始新的L期。電感就是透過這種在交換L期中的導(dǎo)通時(shí)間，將能量?jī)?chǔ)存在磁場(chǎng)內(nèi)，并在斷開時(shí)，將所儲(chǔ)存的能量提供給負(fù)載來工作。

圖1.電感在DC-DC Buck 電路中的應(yīng)用，工作在連續(xù)電流模式下。電感兩端的電壓可以突變但電流不會(huì)突變。

由于電感中變化磁場(chǎng)會(huì)對(duì)周邊產(chǎn)生電磁輻射，對(duì)周邊敏感元件產(chǎn)生干擾，因此遮罩是首先需要考慮的，從圖4 可以看出遮罩與非遮罩電感的區(qū)別，他們各有優(yōu)劣。遮罩的電感最主要就對(duì)外輻射少，但是尺寸比較大，線圈的損耗大，價(jià)格也貴。非遮罩的電感則可以做的很小，電流也可以做的很大，價(jià)格也便宜。如果設(shè)計(jì)中問題輻射是關(guān)鍵因數(shù)，遮罩電感還是首選。另外一個(gè)是環(huán)形電感越來越受歡迎了，環(huán)形有利于電磁遮罩，并且這種空氣的間隙分巖燦欣提高對(duì)電流的處理。

圖4. 遮罩與非遮罩電感的比較

圖5.自遮罩的環(huán)形電感

當(dāng)電流流經(jīng)時(shí)，電感的溫度會(huì)上升，交流紋波(AC ripple)會(huì)導(dǎo)致磁芯損耗，而直流電流會(huì)導(dǎo)致感應(yīng)系數(shù)下降。穩(wěn)態(tài)狀況下直流電流Irms 引起電感溫度上升20-40 攝氏度，這也是電感功耗的主要參考。另外，也有將Irms 歸類成輸出電流或開關(guān)模組的平均電流。功耗有兩部分組成，已是由Irms 部分計(jì)算的直流損耗P=I2R和AC 紋波電流引起的磁芯損耗。

磁芯損耗涉及到磁芯材料的選擇和磁芯截面甚至紋波電流，開關(guān)頻率和結(jié)合電路部分的感應(yīng)系數(shù)。磁芯損耗的計(jì)算在開關(guān)開閉期間是不一樣的，但是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以估算出相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值。

圖2.電壓通過電感時(shí)由于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的存在導(dǎo)致電壓與電流相位相反。

由于鐵氧體材料擁有高導(dǎo)磁率，因此相當(dāng)容易讓磁通量通過，這將可協(xié)助將磁通量維持在電感器的磁芯，同時(shí)創(chuàng)造較小尺寸高磁性電感器的可能性。這亦可由上述的電感方程式分析出，裼孟喙卮判疚鎦剩就可以使用較小的截面積。

另外，O者必意R到感的工作囟群銅h境囟鵲牟e，@其中有感自身升氐牟e。比如f感工作B的囟仍O(shè)定在-40 到125 z氏度之g，感工作r自身囟瓤梢隕高40 z氏度，那N工作h境的囟染橢荒茉O(shè)置在-40 到85 z氏度之g。K且囟仁怯呻感能耗和表面eQ定的。

圖3.電感中電流隨時(shí)間變化的關(guān)系

電感選擇示例

基于電感的屬性，在圖7的電路是buck 轉(zhuǎn)換電路為例說明濾波電感的設(shè)計(jì)方法。這是常用的降壓調(diào)節(jié)電路，以提供穩(wěn)定和高效的輸出電壓。在變換電路中，設(shè)有LC 濾波電路，濾波電感中的電流含有一個(gè)直流成分和一個(gè)L期性變化的脈動(dòng)成分。電感L 的作用是濾除占波開關(guān)輸出電流中的脈動(dòng)成分，以減小紋波，也可以看成是續(xù)流用的，當(dāng)開關(guān)斷開的時(shí)候，電感、負(fù)載、續(xù)流二極體就組成了回路。從濾波效果方面考慮，電感量越大，效果越明顯。但是，如果電感量過大，會(huì)使濾波器的電磁時(shí)間常數(shù)變得很大，使得輸出電壓對(duì)占空比變化的回應(yīng)速度變慢，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的快速性。一味地追求減小輸出電壓的紋波成分是不可取的。所以在設(shè)計(jì)電感參數(shù)時(shí)應(yīng)從減小紋波和保持一定的快速性兩個(gè)方面去考慮。

圖7.DC-DC Buck 電路

此電路要求的相關(guān)參數(shù)如下：Vin=8-12V;Vo=5V;Io=0. 5-2A;fswitch=250kHz。電路工作在連續(xù)電流模式(CCM)下，即在各個(gè)工作狀態(tài)下，電感中電流大于0A?，F(xiàn)在根據(jù)以上參數(shù)，可以算出所需電感的參數(shù)：

圖6. Irms 值的參考是在交流紋波比較小和磁芯損耗忽略的狀況下

磁芯材料和相應(yīng)的參數(shù)

1. 計(jì)算電路中開關(guān)的L期T：T=1/f=1/250 kHz=4μs

2. 計(jì)算電路中開關(guān)的占空比D：Dmin=Vo/Vin(max)=5V/ 12V=0.4

3. 計(jì)算開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間Ton：Ton=TxDmin=4μs×0.4=1.6μs

4. 計(jì)算電感的紋波電流dI，一般不超過最大輸出電流的30%： dI=Io×0.3=2A×0.3=0.6A

5. 計(jì)算電感兩端的電壓V：V=Vin(max)-Vout- Vdiode=12V-5V-1V=6V

6. 計(jì)算最小的感應(yīng)系數(shù)，由V=LdI/dt 得出：Lmin=Vdt/ dI=6V×1.6μs/0.6 A=16μH

7. 計(jì)算考慮誤差的感應(yīng)系數(shù)，考慮到與標(biāo)準(zhǔn)之間20%的偏差和在額定電流下會(huì)有10-35%降幅：L=16μH/(0.8×0.65)=31μH , 再考慮到工作在連續(xù)電流模式下，因此感應(yīng)系數(shù)調(diào)高到33μH。

8. 計(jì)算峰值電流Ipeak：Ipeak=Io(max)+dI/2=2A+0.6A/2=2.3A

電感的結(jié)構(gòu)包括磁芯的尺寸、材料、繞組的匝數(shù)、導(dǎo)線的直徑等內(nèi)容。電感量越大說明相應(yīng)的匝數(shù)也會(huì)增多，磁芯的體積就要大一些;電流越大，說明裼玫牡枷呔馱醬鄭也要求磁芯的體積增大。裼酶叩即怕實(shí)牟牧希同樣的H 情況可以得到更大的B，磁芯的尺寸就會(huì)減小。要測(cè)量磁芯耗損通常相當(dāng)困難，因?yàn)槠浒喈?dāng)}雜用來測(cè)量磁通密度的測(cè)試設(shè)置安排、以及對(duì)遲滯路的估算。迄今許多電感器u造商并沒有提供這方面的資料，不過卻有部分可以用來估算出電感器磁芯耗損的一些特性曲線，這可以由鐵氧體材料u造商、峰對(duì)峰磁通密度與頻率的函數(shù)得出。如果知道電感器磁芯所裼玫奶囟ㄌ氧體材料以及體積大小，那麼就可以利用這些曲線有效地估算出磁芯耗損。

此例中，如果選擇線圈N=20 匝，直流阻值0.06ohm，磁芯橫截面積A=0.071cm2，體積0.2cm3 和磁芯損耗為150mW/cm3 材料的電感，則：

磁通量B=(dI× L)/(2×N× A)=(0.6A×33μH)/(2×20×0.071cm2)=700 Gauss;

磁芯損耗P=150mW/cm3×0.2cm3=30mW;

DC 損耗P=I2R=(2A)2 ×0.06 ohm=240mW 。

現(xiàn)在關(guān)于電感的所有參數(shù)都計(jì)算出來了，接下來就需要根據(jù)參數(shù)挑選合適的電感。根據(jù)電感目錄對(duì)照可以很方便找出合適的電感。以下也給出了一些Tips：

1. 電感電流要依據(jù)設(shè)計(jì)中最大輸出電流來選擇

2. 感應(yīng)系數(shù)的值必須達(dá)到理論的計(jì)算

3. 選擇理想的DC 阻抗，因?yàn)樽杩乖叫。珼C 損耗就越小

4. 選擇合適的電感結(jié)構(gòu)和磁芯類別

在目前以消費(fèi)驅(qū)動(dòng)的市場(chǎng)中，可以預(yù)計(jì)的是攜帶型電子產(chǎn)品的尺寸將會(huì)繼續(xù)縮小，以便滿足用戶的期望和需求。為了保持這種競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)者必須從以上的各項(xiàng)基本原則出發(fā)來選擇和使用高可靠性和緊湊性的電感。而隨著對(duì)電感基本原理的掌握及對(duì)本文示例的領(lǐng)會(huì)，設(shè)計(jì)者很容易找到合適電路的電感而不必像以前那樣反復(fù)猜測(cè)。并且大多數(shù)電感廠商都可以根據(jù)用戶需求提供相關(guān)參數(shù)的小尺寸電感。本文的相關(guān)準(zhǔn)則都可以作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參考，以確保在大多數(shù)苛刻應(yīng)用下的可靠性要求。

圖8.在電源設(shè)計(jì)中電感大多用作儲(chǔ)能，濾波和續(xù)流。