功率電感器基礎(chǔ)講座——第3章：什么是DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要特性

在第2章中，已對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類和工作原理進(jìn)行了說(shuō)明。然而，僅靠這些說(shuō)明并不能明確解釋功率電感器的必要特性。為了明確DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要特性與功率電感器的必要特性的關(guān)聯(lián)，需要對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的重要特性進(jìn)行探討。

3.1DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要特性

DC-DC轉(zhuǎn)換器需具備多種特性，而由于功率電感器的性能會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響，因此尤其需要具備以下3個(gè)重要特性。

即①效率、②紋波電壓、③負(fù)載響應(yīng)。

接下來(lái)，將對(duì)這些特性的具體內(nèi)容及其與功率電感器的關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。

圖3-1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要特性

02效率

首先就功率進(jìn)行說(shuō)明。在理想的無(wú)損耗DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輸入功率與輸出功率相等。此時(shí)效率為100%。然而，在實(shí)際的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，僅PDC-DC的部分會(huì)消耗功率，因此輸出功率小于輸入功率。效率可用以下公式表示。PDC-DC越小，效率就越高。

此外，本章中所述的“效率”不僅限于功率電感器的效率，而是指DC-DC轉(zhuǎn)換器整體的效率。

圖3-2-1 DC-DC轉(zhuǎn)換器的功耗

圖3-2-2為效率測(cè)量結(jié)果的示例。流過(guò)負(fù)載的電流（Iout）會(huì)因應(yīng)用領(lǐng)域而發(fā)生各種變化，因此多置于X軸。

圖3-2-2 DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率示例

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中消耗的功率PDC-DC大致可分為以下三種：PIC、PPI、Pother。PIC為IC產(chǎn)生的損耗，包括開(kāi)關(guān)損耗和由ON電阻導(dǎo)致的損耗等。PPII為電感器產(chǎn)生的損耗。Pother為電容器的ESR導(dǎo)致的損耗等其他損耗。

因工作條件和IC性能而異，PPI有時(shí)可占整體功耗PDC-DC的大約50%。因此，其對(duì)于功率電感器的效率影響較大，需具備低損耗的特性。

圖3-2-3 電源負(fù)載電阻功耗的具體內(nèi)容

如以下公式所示，電感器損耗PPI可由DC損耗和AC損耗兩個(gè)部分表示。DC損耗表示因直流電流而產(chǎn)生的損耗，而AC損耗則表示因交流電流而產(chǎn)生的損耗。DC損耗表示因直流電流而產(chǎn)生的線圈導(dǎo)體的損耗，因此與Rdc（直流電阻）成正比。另一方面，AC損耗則與Rac（交流電阻）成正比，除因交流電流而產(chǎn)生的線圈導(dǎo)體的損耗外，還包括被稱為鐵耗的芯材損耗。此外，頻率變高時(shí)，導(dǎo)體損耗還會(huì)因?yàn)橼吥w效應(yīng)呈增加趨勢(shì)。此處提到的Rac以下述公式表示。Racspan style="font-size: 13px;">1表示因趨膚效應(yīng)而增加的導(dǎo)體電阻成分，Rac2則表示因芯材而產(chǎn)生的電阻成分。

圖3-2-4 電感器損耗的具體內(nèi)容

圖3-2-5為相對(duì)于負(fù)載電流的AC損耗和DC損耗的示意圖。流過(guò)電感器的電流的AC成分取決于輸入、輸出電壓和頻率。因此，即使負(fù)載電流發(fā)生變化，AC損耗量也不會(huì)出現(xiàn)較大的變化。另一方面，DC損耗的產(chǎn)生則與負(fù)載電流的平方成正比。低負(fù)載時(shí)電流較小，因此DC損耗也較小，而負(fù)載電流增加時(shí)，DC損耗也將大幅增加。因此，在低負(fù)載范圍內(nèi)AC損耗將起決定性作用，而在高負(fù)載范圍內(nèi)，DC損耗則起決定性作用。

圖3-2-5 低負(fù)載、高負(fù)載下的決定性損耗

接下來(lái)，將通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證功率電感器的電感、Rdc、Rac發(fā)生變化時(shí)將對(duì)效率產(chǎn)生怎樣的影響。設(shè)定仿真實(shí)驗(yàn)的條件時(shí)，將移動(dòng)設(shè)備中使用的降壓轉(zhuǎn)換器作為假設(shè)。

圖3-2-6 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的效率評(píng)估

圖3-2-7為將Rdc從0.01變到2.0Ω的過(guò)程中效率的變化結(jié)果。低負(fù)載時(shí)Idc較小，因此即使Rdc發(fā)生變化，效率也基本保持不變。然而，由于高負(fù)載時(shí)Idc較大，因此Rdc的變化將對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響。

圖3-2-7 Rdc對(duì)效率的影響

接下來(lái)，將顯示將Rac從0.1變到10Ω的過(guò)程中效率的變化結(jié)果。由于Rac會(huì)影響AC損耗量，因此在AC損耗起決定性作用的低負(fù)載情況下，Rac將對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響。但在高負(fù)載情況下，隨著Idc的增加，DC損耗將起決定性作用，因此即使Rac發(fā)生變化，效率也基本保持不變。

圖3-2-8 Rac對(duì)效率的影響

最后顯示將電感從0.22μH變到2μH的過(guò)程中效率的變化結(jié)果。同Rac一樣，電感也會(huì)對(duì)AC損耗量產(chǎn)生影響。因此，電感雖然會(huì)在低負(fù)載時(shí)對(duì)效率產(chǎn)生較大的影響，但在高負(fù)載時(shí)卻基本不會(huì)產(chǎn)生影響。

圖3-2-9 電感對(duì)效率的影響

電感之所以會(huì)影響效率，是因?yàn)榱鬟^(guò)電感器的電流的AC成分取決于電感。三角波電流的斜率與電感的倒數(shù)成正比。因此，電感越大，電流振幅就越小，AC損耗也隨之減少。

圖3-2-10 電感影響效率的理由

綜上所述，為了抑制電感器損耗，電感器需具備低負(fù)載時(shí)低Rac、高電感，高負(fù)載時(shí)低Rdc的重要特性。

圖3-2-11 電感器需具備高效率的特性

3.3紋波電壓

第二個(gè)重要特性是紋波電壓。紋波電壓是指輸出電壓中含有的微量的電壓變動(dòng)成分。這些電壓變動(dòng)與開(kāi)關(guān)頻率同步發(fā)生。理想情況下的紋波電壓為零。這是因?yàn)?，如果紋波電壓變動(dòng)較大并低于負(fù)載端的系統(tǒng)最低工作電壓，將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)作出現(xiàn)異常。近年，DC-DC轉(zhuǎn)換器的低電壓、大電流化正呈發(fā)展趨勢(shì)，因此有必要為其提供更加穩(wěn)定的電壓。

圖3-3-1 什么是紋波電壓

和驗(yàn)證效率時(shí)一樣，下面將就電感的變化對(duì)紋波電壓產(chǎn)生的影響進(jìn)行調(diào)查。

圖3-3-2 通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的紋波電壓評(píng)估

通過(guò)圖3-3-3，可知電感越高，紋波電壓的抑制效果就越好。如第2章中所述，電感越高，流過(guò)電感器的紋波電流就越能得到抑制，因此輸出的紋波電壓也會(huì)隨之減少。須注意的是，電感會(huì)因直流疊加特性而下降。使用直流疊加特性較差的元件會(huì)導(dǎo)致電感下降、紋波電壓增加。因此，很顯然在進(jìn)行選擇時(shí)要確保Isat大于負(fù)載電流。

圖3-3-3 紋波電壓和電感

3.4負(fù)載響應(yīng)

最后一個(gè)重要特性是負(fù)載響應(yīng)。DC-DC轉(zhuǎn)換器提供一定的輸出電壓，但此時(shí)流過(guò)負(fù)載的電流會(huì)根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域隨時(shí)發(fā)生變化。電流急劇變化時(shí)，輸出電壓會(huì)一時(shí)間上升或下降。這一電壓變動(dòng)與電感成正比產(chǎn)生，因此功率電感器的性能將產(chǎn)生較大的影響。該電壓變動(dòng)和恢復(fù)設(shè)定電壓所需的時(shí)間被稱為負(fù)載響應(yīng)特性，電壓變動(dòng)量較小、可短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)設(shè)定電壓的特性通常被認(rèn)為是良好的負(fù)載響應(yīng)特性。和之前所述的紋波電壓一樣，該性能對(duì)于重視提供穩(wěn)定電壓的DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)是極為重要的。

圖3-4-1 什么是負(fù)載響應(yīng)

下面將使用DC-DC轉(zhuǎn)換器的評(píng)估板，分別對(duì)各電感的負(fù)載響應(yīng)特性進(jìn)行評(píng)估。

圖3-4-2 通過(guò)評(píng)估板進(jìn)行的負(fù)載響應(yīng)特性評(píng)估

通過(guò)測(cè)量結(jié)果，可知負(fù)載電流增減時(shí)輸出電壓會(huì)發(fā)生變動(dòng)。并且，由于負(fù)載響應(yīng)特性會(huì)因功率電感器的電感而產(chǎn)生，因此電感較低時(shí)輸出電壓的變動(dòng)將變小，從而可獲得較好的負(fù)載響應(yīng)特性。

圖3-4-3 負(fù)載響應(yīng)和電感

3.5與功率電感器的關(guān)系

在3.1～3.4中，已針對(duì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的重要特性——“效率”、“紋波電壓”、“負(fù)載響應(yīng)”闡明了功率電感器需要具備的特性。然而，使用高電感的元件雖然可以改善效率和紋波電壓，但負(fù)載響應(yīng)也將隨之下降。并且，電感增大時(shí)，還存在Rdc和Rac也隨之增加的問(wèn)題。如上所述，功率電感器的各種特性條件不可同時(shí)滿足，因此需要配合個(gè)別的工作條件和需求，在選擇功率電感器時(shí)進(jìn)行權(quán)衡。

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圖3-5 功率電感器的必要特性總結(jié)