關(guān)于電感的應(yīng)對方法介紹

電感在各種以開關(guān)模式工作的電源轉(zhuǎn)換器中的角色是非常重要的，離開了它，很多事情就做不成了，無論我們怎么看重它都是不為過的。當(dāng)我們這樣想的時(shí)候，我們只是看到了好的一面，我們看見的是有形的電感。實(shí)際上，電感在很多時(shí)候是無形的，它會在我們不需要它的時(shí)候出現(xiàn)，并且成為麻煩之源。

要認(rèn)識清楚這一點(diǎn)，我們應(yīng)當(dāng)牢記電感三法則：

法則一：電流周圍會形成閉合磁力線圈。

法則二：電感是導(dǎo)體電流1A時(shí)周圍的磁力線匝韋伯?dāng)?shù)。

法則三：周圍磁力線匝數(shù)改變時(shí)導(dǎo)體兩端產(chǎn)生感應(yīng)電壓。

我們所謂的電路實(shí)際就是電流所走的路，而有電流就會有磁力線存在，有磁力線存在就會有電感表現(xiàn)出來，所以，實(shí)際的電感在電路中是無處不在的，只不過它們不是我們常見的電感器的樣子，它們是導(dǎo)體。

可以被稱為導(dǎo)體的東西很多，導(dǎo)線、銅箔、器件的引腳和IC內(nèi)部的連接線等等都是。從流過電流的角度來看，IC內(nèi)部的電路其實(shí)也算，只不過它們的尺寸比較小罷了，我們可能不把它們放在心上。

由于一有電流流過導(dǎo)體就會表現(xiàn)出電感的特性，在電流變化的時(shí)候電感的兩端就會表現(xiàn)出感生電壓，有時(shí)候?qū)ζ骷倪x擇就會有特定的要求。電源電路中常常會要求對流過開關(guān)管的電流進(jìn)行取樣，這時(shí)候就需要使用電阻，缺乏經(jīng)驗(yàn)的工程師可能會讓線繞電阻器去承擔(dān)這一職責(zé)，這樣出來的效果就會很糟糕，因?yàn)閺乃拥玫降碾妷和耆亲冃蔚?，如果換成金屬膜電阻或是合金電阻，問題可能立馬就消失了。這樣的狀況就是上了電感的當(dāng)，因?yàn)榫€繞電阻器的電感是相當(dāng)大的，它們并不適合在電流高速變化的電路中使用。

要計(jì)算一段導(dǎo)體的電感并不是一件容易的事，但對標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)體卻有比較好的評估工具可以利用。直圓桿導(dǎo)線可以算是很標(biāo)準(zhǔn)的東西，一段長度為d的直圓桿導(dǎo)體的電感量可以用下述公式進(jìn)行評估：

其中的d是直圓桿的長度，r是導(dǎo)線的半徑，它們的單位都是英寸，計(jì)算的結(jié)果L表示這段導(dǎo)線的局部電感，其單位為nH。如果導(dǎo)線的直徑為10mil，線長為1英寸，則計(jì)算結(jié)果為26nH。由于1英寸等于25.4mm，所以我們大致可以知道1mm這樣的導(dǎo)線的電感約為1nH，這樣的計(jì)算雖然不準(zhǔn)確，但用來進(jìn)行感性的評估應(yīng)該是夠了?？纯醋约旱?a href="http://ttokpm.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB或者器件的引腳，上面的連接線有多長，大概的電感就可以被推算出來。

實(shí)際上，當(dāng)導(dǎo)線變長的時(shí)候，由于每段導(dǎo)線周圍的磁力線既有流過本段的電流產(chǎn)生的，也有其他部分的電流產(chǎn)生的，所以電感的增長是大于導(dǎo)線長度的增長的，如果再把它密繞成圈，電感的增長就更可怕了，它與匝數(shù)的平方成正比。如果導(dǎo)線變粗、銅箔寬度增加呢，實(shí)際的電感量就下降了，這是由于電流擴(kuò)展開了，由它形成的表面磁力線強(qiáng)度的積分會減小，這帶來了電感下降的結(jié)果。從這就可以看出，在電源電路的PCB設(shè)計(jì)中要求大電流路徑線路要短、銅箔要寬是很有道理的。

我們在進(jìn)行上述的思考時(shí)一直在利用這個(gè)公式：

這個(gè)公式來自于電感法則三，計(jì)算的結(jié)果是電感兩端的感生電壓，?N是磁力線匝數(shù)的變化量，?t是變化發(fā)生的時(shí)間長度，dI/dt是電流的變化速度，L就是電感的量了。

實(shí)際上，電感的量和電流的大小是沒有關(guān)系的。一個(gè)電路一旦形成實(shí)物，其特性就會被固化，但這種被固化的東西卻是會隨著電流的變化速度而改變的，因?yàn)閐I/dt越大，VL也會越大，這在大電流的應(yīng)用中表現(xiàn)尤甚，因?yàn)殡娏髟龃罅?，電流的變化時(shí)間卻沒有改變，其變化速度就會增大，相應(yīng)的VL也會變大，給應(yīng)用帶來很多問題。在我接觸過的應(yīng)用中，以大功率LED作為光源的投影機(jī)在這方面表現(xiàn)尤為特別，其負(fù)載電流通常在6A以上，有很多是十多個(gè)安培的，特別的就有30A了，立锜科技的RT8452在此應(yīng)用中表現(xiàn)良好，為很多用戶解決了問題，但相應(yīng)的PCB設(shè)計(jì)也是非?？量痰?，需要非常小心地處理。另外一種應(yīng)用是大功率的Boost應(yīng)用，RT8480在這類應(yīng)用中常常被用到，由于輸入電壓較低，輸出電壓很高，負(fù)載電流又很大，開關(guān)電流自然很大，這就會對PCB設(shè)計(jì)提出很高的要求。有的工程師對這里提到的非?；A(chǔ)的東西不太關(guān)心，他們會把這種高要求當(dāng)作是IC本身的要求，其實(shí)是認(rèn)錯了方向。

為了降低VL對電路的影響，我們可以從兩個(gè)方面入手來進(jìn)行改善。一是減小dI/dt，通過把開關(guān)的速度降下來就可以做到，但其不足之處是會造成效率的降低，因?yàn)殚_關(guān)切換過程的延長會造成其緩慢經(jīng)過線性區(qū)，發(fā)熱是很難避免的事情；二是降低L，這會直接帶來VL下降的結(jié)果，只有好處，沒有壞處，成本不會提高，效益卻是大的不得了。

降低L的辦法前面已經(jīng)提到了，讓銅箔路徑變短變粗變寬就可以實(shí)現(xiàn)一大半，然后我們還要想辦法縮小回路的面積，這甚至可能成為消除問題的法寶，因?yàn)樗鉀Q的問題不是單一的。

一個(gè)回路是這樣形成的：

從源頭流出的電流經(jīng)過支路a流向負(fù)載，再經(jīng)支路b流回源頭。電流在支路a上會形成環(huán)繞支路a本身的磁力線，同時(shí)也會有一部分磁力線環(huán)繞支路b；流過支路b的電流也會形成環(huán)繞支路b本身的磁力線，同時(shí)也有一部分磁力線會環(huán)繞支路a。只要支路a、b的長度不是太長，流過支路a、b的電流就總是相等的，它們形成的磁力線的匝數(shù)也應(yīng)該是相等的，但是它們形成的磁力線的方向卻不同，這樣的磁力線碰在一起以后會相互抵消，抵消以后就和不存在是一樣的了，也就是說它們的電感作用會消失，這樣就可以將VL消滅掉。

支路a和支路b之間的這種作用叫做耦合。耦合是有程度上的差異的，這表達(dá)為耦合系數(shù)，其值在0到1之間。如果支路a中的電流所生成的磁力線在繞過支路a本身的同時(shí)也完全繞過支路b，則它們之間的耦合系數(shù)為1，如果完全沒有，則耦合系數(shù)為0，如果只是一部分，則耦合系數(shù)就在0和1之間了。很顯然，我們很難讓耦合系數(shù)成為完整的1，但我們可以在設(shè)計(jì)中讓它盡可能地接近1，這就要讓支路a和b之間形成的回路面積最小化才能做到。

在一個(gè)支路（導(dǎo)體）中的電流形成的磁力線在環(huán)繞另外一個(gè)支路（導(dǎo)體）的時(shí)候就形成了兩者之間的互感，由于在這里的相互環(huán)繞的磁力線是相互抵消的，由此形成的互感對自感也就是抵消的作用，它們導(dǎo)致的感生電壓也是相互抵消的。這段話并沒有表達(dá)新的東西，不過是把上面的內(nèi)容用另外的概念表達(dá)一次罷了，因?yàn)榇艌龌虼帕€是實(shí)際存在的東西，電感或互感卻只是一個(gè)概念而已，他們在現(xiàn)實(shí)中并不存在。

假如支路b為地回路，由其電感導(dǎo)致的感生電壓可以被稱為地彈電壓，此電壓在上述的互感的作用下會變小，用公式來表達(dá)是這樣的：

其中，Vgb表示地彈電壓，Ltotal表示返回支路b的凈電感，Lb為返回支路b的局部電感（自感），Lab表示返回支路b和初始支路a之間的局部互感，I自然是流過這兩個(gè)支路的電流了。

很顯然，我們在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要同時(shí)按照路徑短而粗和形成緊密耦合的原則來做，這樣才能形成最好的效果。

在Buck轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)中，電感的選擇是非常重要的，除了要考慮電流紋波以外，有時(shí)候還需要考慮斜率補(bǔ)償?shù)膯栴}，這與相應(yīng)的Buck轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)有關(guān)。RT6204作為一款應(yīng)用靈活性非常大的器件可以在5.2V至60V的輸入下工作，可以輸出0.8V-50V的電壓，負(fù)載能力高達(dá)0.5A，可以承受最高80V的沖擊電壓襲擊而不損壞，它的電感器的選擇就面臨這里提到的兩個(gè)要求。