DC-DC電路中電感的特性與選擇

對(duì)于一名硬件工程師來(lái)說(shuō)，電感是常用的元器件，本文將重點(diǎn)分析電感在DC-DC設(shè)計(jì)中的運(yùn)用。只有充分理解電感在DC/DC電路中發(fā)揮的作用，才能設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的DC/DC電路。

在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)中電感的設(shè)計(jì)為工程師帶來(lái)的許多的挑戰(zhàn)。我們不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機(jī)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(huì)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(jì)就必須更深入的了解電感的行為。在BUCK降壓轉(zhuǎn)換器中，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過(guò)開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。

圖1

在狀態(tài)1過(guò)程中，電感會(huì)通過(guò)（高邊 “high-side”）MOSFET連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過(guò)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(shí)現(xiàn)電感接地：通過(guò)二極管接地或通過(guò)（低邊“l(fā)ow-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(gè)狀態(tài)下流過(guò)電感的電流是如果變化的。在狀態(tài)1過(guò)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(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會(huì)在電感上形成正向壓降。相反，在狀態(tài)2過(guò)程中，原來(lái)連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓必然為正端，因此會(huì)在電感上形成負(fù)向的壓降。我們利用電感上電壓計(jì)算公式：V=L(dI/dt)

因此，當(dāng)電感上的電壓為正時(shí)（狀態(tài)1），電感上的電流就會(huì)增加；當(dāng)電感上的電壓為負(fù)時(shí)（狀態(tài)2），電感上的電流就會(huì)減小。通過(guò)電感的電流如圖2所示：

圖2

通過(guò)上圖我們可以看到，流過(guò)電感的最大電流為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(jì)算出峰值電流：

其中，ton是狀態(tài)1的時(shí)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。

注意：上面的計(jì)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(duì)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，就要用下列公式作精確計(jì)算：

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(guò)已經(jīng)計(jì)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(huì)知道，隨著通過(guò)電感的電流增加，它的電感量會(huì)減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會(huì)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(huì)正常工作了。當(dāng)通過(guò)電感的電流大到電感失效的程度，此時(shí)的電流稱為“飽和電流”，這也是電感的基本參數(shù)。

實(shí)際上，轉(zhuǎn)換電路中的開關(guān)功率電感總會(huì)有一個(gè)“軟”飽和度。要了解這個(gè)概念可以觀察實(shí)際測(cè)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(huì)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(huì)損壞了。

有了這個(gè)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(huì)規(guī)定在DC輸出電流下的最小電感量；而且由于紋波電流的變化也不會(huì)嚴(yán)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?yàn)樗鼤?huì)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的原因。

審核編輯：湯梓紅