為DC/DC轉(zhuǎn)換器選擇最佳電感器

作者： LEN CRANE，Coilcraft, Inc.技術(shù)營銷總監(jiān)

雖然 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路已經(jīng)成熟到可以使用“食譜”設(shè)計(jì)輔助工具和軟件來提供幫助，但選擇正確的功率電感器是轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵方面。這需要充分了解電感器性能以及所需的電路內(nèi)性能與供應(yīng)商數(shù)據(jù)表中提供的信息之間的關(guān)系。

可用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電感器有多種形狀和尺寸（圖 1）。為了比較類型并為應(yīng)用選擇最佳部件，設(shè)計(jì)人員必須依靠正確理解已發(fā)布的規(guī)范。

圖 1：電感器有多種形狀和尺寸：薄型可實(shí)現(xiàn)薄型轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

電感器性能可以用相對較少的數(shù)字來描述。用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的表面貼裝功率電感器的典型數(shù)據(jù)表摘錄如下所示（表 1）。

表 1：表面貼裝功率電感器的典型數(shù)據(jù)表摘錄。

電感：根據(jù)表 1，電感 (L) 是提供所需電路功能的主要參數(shù)，并且是大多數(shù)設(shè)計(jì)程序中要計(jì)算的第一個(gè)參數(shù)。計(jì)算它以提供一定的最小能量存儲(chǔ)量（或伏-微秒容量）并減少輸出電流紋波。使用小于計(jì)算的電感會(huì)導(dǎo)致直流輸出上的交流紋波增加。使用大得多或小得多的電感可能會(huì)迫使轉(zhuǎn)換器在連續(xù)和不連續(xù)操作模式之間切換。

由于數(shù)據(jù)表顯示所有可能的工作條件集的性能是不切實(shí)際的，因此了解額定值如何隨不同工作條件而變化是很重要的。

公差：幸運(yùn)的是，大多數(shù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用不需要非常嚴(yán)格的公差電感來實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。與大多數(shù)組件一樣，選擇標(biāo)準(zhǔn)公差部件具有成本效益，并且大多數(shù)轉(zhuǎn)換器要求允許這樣做。表 1中的電感器 指定為 ±20%，適用于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用。

測試條件：這些很關(guān)鍵，設(shè)計(jì)人員需要特別注意電壓、波形和測試頻率。例如，大多數(shù)目錄電感額定值都基于“小”正弦電壓，而使用正弦電壓是標(biāo)準(zhǔn)儀器測試條件。關(guān)于頻率，大多數(shù)功率電感器在 20 kHz 和 500 kHz 之間變化不大，因此經(jīng)常使用基于 100 kHz 的額定值并且是合適的。然而，電感最終會(huì)隨著頻率的增加而減小。隨著開關(guān)頻率增加到 500 kHz、1 MHz 及以上，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用頻率考慮額定值變得更加重要。

直流電阻 (DCR)：這嚴(yán)格基于導(dǎo)線直徑和長度，并在目錄中指定為“最大值”，但也可以指定為帶有公差的標(biāo)稱值。DCR 隨溫度而變化，因此 DCR 額定值還應(yīng)注意環(huán)境測試溫度，這一點(diǎn)很重要。銅的電阻溫度系數(shù)約為每攝氏度 +0.4%。因此，所示部件的最大額定值為 0.009 Ω 在 85°C 時(shí)必須具有對應(yīng)的最大額定值為 0.011 Ω — 在這種情況下只有 2-mΩ 的差異，但總變化約為 25%。顯示了預(yù)期的 DCR 與溫度的關(guān)系（圖 2）。

圖 2：基于 0.009 Ω（最大值）在 25°C 時(shí)的預(yù)期 DCR 與溫度曲線。

交流電阻：電感器數(shù)據(jù)表中通常不顯示，除非工作頻率或電流的交流分量相對于直流分量很大，否則通常不會(huì)引起關(guān)注。

當(dāng)試圖最小化元件的尺寸時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該盡量選擇電阻最大的元件。通常，減少 DCR 意味著必須使用更大的電線，并且可能需要更大的整體尺寸。因此，優(yōu)化 DCR 選擇意味著在功率效率、組件上允許的壓降和組件尺寸之間進(jìn)行權(quán)衡。

自諧振頻率 (SRF)：每個(gè)電感繞組都有一些相關(guān)的分布電容，它與電感一起形成具有自然自諧振頻率的并聯(lián)諧振回路。對于大多數(shù)轉(zhuǎn)換器，最好在遠(yuǎn)低于 SRF 的頻率下運(yùn)行電感器。這通常在電感數(shù)據(jù)中顯示為“典型”值。

電流額定值：這可能是指定功率電感器時(shí)最困難的額定值。流經(jīng) DC/DC 轉(zhuǎn)換器電感器的電流在整個(gè)開關(guān)周期中始終在變化，并且可能會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行情況在各個(gè)周期之間發(fā)生變化，包括由于負(fù)載或線路突然變化導(dǎo)致的臨時(shí)瞬態(tài)或尖峰。這給出了一個(gè)不斷變化的電流值，有時(shí)具有非常高的峰均比。使規(guī)范變得困難的是峰均比。尋找具有兩種電流額定值的電感器：一種用于處理峰值電流可能導(dǎo)致的磁芯飽和，另一種用于解決由于平均電流而可能發(fā)生的發(fā)熱問題。

飽和電流 (Isat)：電流通過電感器的一種影響是磁芯飽和。通常，DC/DC 轉(zhuǎn)換器具有帶有 DC 分量的電流波形。通過電感器的直流電流使磁芯偏置，并可能導(dǎo)致磁通量飽和。設(shè)計(jì)人員需要了解，當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，電感會(huì)下降并且組件不再用作電感器。顯示了帶間隙鐵氧體磁芯的典型 L 與電流曲線（圖 3）。

圖 3：帶間隙鐵氧體磁芯的典型 L 與直流偏置電流曲線，顯示電流飽和點(diǎn)。

可以看出，隨著電感器進(jìn)入飽和區(qū)，該曲線具有“拐點(diǎn)”。因此，飽和開始的定義有些武斷，必須加以定義。在表 1的示例中，飽和定義為電感下降 10% 的點(diǎn)。10% 至 20% 范圍內(nèi)的定義很常見，但應(yīng)注意，某些電感器目錄可能使用 50% 電感降的數(shù)字。這增加了電流額定值，但就可用電流范圍而言可能會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)。

雖然關(guān)于這個(gè)話題還有很多話要說，但只要說通常希望在接近飽和額定值的電流峰值下工作就足夠了，因?yàn)檫@樣可以選擇盡可能小的電感器。

RMS 電流 (Irms)：電流的第二個(gè)主要影響是組件自發(fā)熱。Irms 用于衡量多少平均電流可以連續(xù)流過部件，同時(shí)產(chǎn)生的溫升低于規(guī)定的溫升。在這種情況下，數(shù)據(jù)表通常會(huì)根據(jù)直流或低頻交流電流的應(yīng)用提供額定值，因此這不包括由于集膚效應(yīng)或其他高頻效應(yīng)而可能發(fā)生的發(fā)熱。如示例中所示，可以針對單個(gè)溫升點(diǎn)顯示電流額定值，或者一些供應(yīng)商提供有用的溫升與電流或可用于計(jì)算任何電流溫升的因素的圖表。

自發(fā)熱引起的溫升可能會(huì)導(dǎo)致電感器的溫度高于額定范圍。如果不超過絕緣額定值，這通常是可以接受的。

與其他參數(shù)一樣，了解電感溫升也很重要，以便在進(jìn)行設(shè)計(jì)選擇時(shí)可以與其他參數(shù)進(jìn)行權(quán)衡。如果需要較低的溫升，則最有可能的答案是更大尺寸的組件。

結(jié)論可以看出，用于 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電感器可以用少量參數(shù)來描述。但是，每個(gè)評級都可以被認(rèn)為是基于一組操作條件的“快照”，可能需要增強(qiáng)這些操作條件以完全描述應(yīng)用條件下的預(yù)期性能。
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