關(guān)于電感器的性能分析和介紹

其中的電感量（Inductance）一欄給出了2.2μH±20%的規(guī)格，但它的測試條件卻是10kHz/100mV，從這個條件猜測這個參數(shù)是用普通的LCR測試儀采用諧振法來進(jìn)行測試的。這樣的測試條件和具體的工作條件可能是差很遠(yuǎn)的，為什么呢？很簡單，普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常都工作在幾百kHz至幾MHz，所加電壓通常也是從0.xV至幾十V，換算為電流則常常從幾百mA到幾個A，在這些條件下，這個電感量還會是準(zhǔn)確的嗎？

思考之下的發(fā)現(xiàn)從規(guī)格書中就開始了，這份規(guī)格書給出了如下信息：

果然，當(dāng)電流不同的時候，電感量是不同的。在上面的參數(shù)表中規(guī)定：當(dāng)電感量變化量達(dá)到-10%時，這個電感已經(jīng)被判定為飽和了，此時的電流為3.38A（典型值）。

實際上，隨著電流的增長，電感器的電感量會有一個很大的變化范圍，下面的這幅圖來自電感器制造商伍爾特，其中的數(shù)據(jù)全部來自實際的電感器測試資料，供你參考：

電感器的核心材料是鐵粉芯，當(dāng)流過線圈的電流生成磁場時，磁場激發(fā)出的鐵粉芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加，但是隨著電流和磁場的增長，由此激發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增長越來越少，直至內(nèi)部磁疇全都向著同一方向時，磁感應(yīng)強(qiáng)度就再也無法增長了，這種現(xiàn)象被稱為飽和，此時的電感量將急劇下降，同一電壓下的電流增長速度將急劇增加，但卻不能作為磁能儲存下來。在Buck應(yīng)用中，這種多出來的電流在通過電感時使得電感發(fā)熱量大增，同時又流入輸出電容和負(fù)載，因而在負(fù)載端表現(xiàn)出巨大的電壓紋波，可能對負(fù)載的工作產(chǎn)生巨大的影響。如果這樣的狀況出現(xiàn)在Boost應(yīng)用中，這個電路幾乎就一定會崩潰了，由于輸入的電能不能轉(zhuǎn)化為傳遞到輸出端的能量，占空比將持續(xù)增加，使整個狀況越來越惡化，最后一定是不可收拾的，控制部分及時介入進(jìn)行保護(hù)才可能避免最壞的情況發(fā)生。

熱量的累積會使電感器溫度升高，溫升又會造成磁場轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度能力的降低，所以，一個電感器容許的溫升總是很有限的。在上面的資料中看到，這款電感器40k溫升時的電流為2.5A，或者說是2.5A的電流就能造成40k的溫升。

電感器溫度的升高很容易造成一個問題的發(fā)生：線圈的絕緣受到破壞。我們能夠容易地測量到的電感器溫度都是電感器的表面溫度，它的內(nèi)部溫度通常來說更高，線圈絕緣層在高溫作用下熔化以后，很容易就會出現(xiàn)匝間短路，而電感量是與線圈的匝數(shù)的平方成正比的，這將造成災(zāi)難性的后果，上述的所有問題都會進(jìn)一步惡化，還會帶來別的連帶問題。

我們都知道DC/DC轉(zhuǎn)換器會有過流保護(hù)這一功能，會在偵測到電感電流達(dá)到過流保護(hù)閾值時及時關(guān)斷開關(guān)，但是從偵測到過流到執(zhí)行完關(guān)斷動作之間總是需要一定的時間的，如果電感量太小而使電流增長速度太快，這段執(zhí)行的時間里電流就可能增長到IC無法承受的程度，IC的損壞也就是順理成章的了。

其實還有一個因素會使得電感太小所帶來的影響擴(kuò)大化，這可能是不太被注意的。每一次DC/DC開關(guān)動作都會帶來一些電路中的電流切換過程，這個過程可能會帶來極大的電路噪聲，為了避免這些噪聲的影響，IC的設(shè)計中可能會在開關(guān)動作以后插入一個不進(jìn)行電流測量的時間段，太小的電感可能讓電感電流在這段時間里就增長到IC無法承受的程度。

由于電感量的變化可能帶來IC的損壞，所以這種損壞并不是在電感出問題的情況下就一定會發(fā)生，但其損壞幾率會低于電感出問題的幾率。如果在實踐中看到電感問題數(shù)量高于IC問題數(shù)量，那一定是電感出問題了，把精力花在查找IC問題上只是在浪費時間而已。

在上面探討的過程中，我們的焦點集中在電流的強(qiáng)度以及其相關(guān)的影響上，下面探討電流的變化及其影響。

上圖中，變化的電流流過線圈，由此形成的穿過內(nèi)導(dǎo)體的磁場也是變化的，圍繞內(nèi)部磁力線的導(dǎo)體中會生成感生電動勢并形成電流，它們就像一個個的小漩渦一樣，因而被稱為渦流。這些渦流自然也是一種能量形式，因而會在導(dǎo)體中形成熱量，我們所用的電磁爐就是利用這個原理來實現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換的。電流的變化速度越快，感生電動勢就越大，最后形成的渦流也越大，其發(fā)熱量也越大。

電感器鐵粉芯的主要材質(zhì)是鐵，這是一種典型的導(dǎo)體，既能導(dǎo)磁，也能導(dǎo)電，所以成為了磁性材料的主力，但也因為其導(dǎo)電能力而導(dǎo)致了渦流問題。鐵粉作為電感器來使用的時候，由磁滯特性所帶來的問題是一種功率損耗，渦流問題帶來的也是一種損耗，前者稱為磁損，后者稱為鐵損。降低損耗的方法是在鐵粉中加入不同的元素以改變其特性，但也因為所加材料的不同而有不同的性能，有的鐵心適合在低頻下工作，有的鐵心適合在高頻下工作，它們也同時具有不同的成本結(jié)構(gòu)。當(dāng)把只適合在低頻下工作的電感器使用在高工作頻率下時，電感器的損耗太高，溫升就會比較高，這樣會加重電感量衰減的作用。參看下圖可以了解工作頻率和電流（它最后轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度B）對鐵芯損耗的影響。

由于各種原因造成的電感問題都會造成溫升提高，使用中很簡單的做法就是測量不同電感器在現(xiàn)場的溫度升高狀況，電感器的品質(zhì)狀況或者說選型是否恰當(dāng)?shù)膯栴}很容易就能被看出來了。

在電感電流波形的測量中，如果一個電感器進(jìn)入了飽和狀態(tài)，其電流就會發(fā)生急劇升高的狀況，其波形看起來會有極高的斜率，會與電感沒有飽和的時候有非常明顯的差異，很容易就能被鑒別出來。

如果想看看實際電路中的電感量，這可以通過簡單的測量和計算獲得，因為我們有數(shù)學(xué)公式作為基礎(chǔ)：

用示波器測量出t1到t0時間段電感兩端的電壓差和電流增加值，很容易就可以推算出電感量了。示波器測量雖然存在很大的測量誤差，但對于判斷那些比較明顯的問題來說其精度已經(jīng)足夠了。