探討電感如何達(dá)到飽和、飽和如何影響電路

電感是DC / DC電源中的重要組成部分。選擇電感需要考慮很多因素，例如電感值、DCR、尺寸和飽和電流。電感的飽和特性常會(huì)被人們誤解而帶來(lái)麻煩。本文將探討電感如何達(dá)到飽和、飽和如何影響電路，以及檢測(cè)電感飽和的方法。

電感飽和的原因

請(qǐng)參見圖1和下面的電感飽和步驟，來(lái)了解電感是如何達(dá)到飽和的：

● 當(dāng)電流通過圖1中的線圈時(shí)，線圈會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng);

● 磁芯被磁場(chǎng)磁化，其內(nèi)部磁疇會(huì)緩慢旋轉(zhuǎn)。

● 當(dāng)磁芯被完全磁化后，磁疇的方向與磁場(chǎng)一致。這時(shí)，即使添加外部磁場(chǎng)，磁芯內(nèi)也沒有旋轉(zhuǎn)的磁疇。此時(shí)，電感達(dá)到飽和。

圖1：電感飽和示意圖

圖2從另一個(gè)角度表達(dá)了電感的飽和，并通過方程式顯示了系統(tǒng)的磁通密度(B)和磁場(chǎng)強(qiáng)度(H)如何影響電感。

當(dāng)磁通密度達(dá)到BM時(shí)，磁通密度不再隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，此時(shí)電感達(dá)到飽和。

再看電感和磁導(dǎo)率(μ)之間的關(guān)系。當(dāng)電感飽和后，磁導(dǎo)率將大幅減小，從而導(dǎo)致電感大幅降低，并失去抑制電流的能力。

圖2：磁化曲線和公式

判斷電感飽和的技巧：

在實(shí)際應(yīng)用中判斷電感飽和的方法分為兩大類：理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖3總結(jié)了這些方法。

圖3：判斷電感飽和的方法

理論計(jì)算需要計(jì)算最大磁通密度或最大電感電流，而實(shí)驗(yàn)測(cè)試則主要集中在觀察電感電流波形和其他的初步判斷方法上。具體請(qǐng)看下面的詳細(xì)描述。

方法1：計(jì)算磁通密度

這種方法適用于采用磁芯來(lái)設(shè)計(jì)電感的場(chǎng)景。磁芯參數(shù)包括磁路長(zhǎng)度(lE)和有效面積(AE)。磁芯類型還決定了相應(yīng)的磁材等級(jí)。磁性材料也必須對(duì)磁芯損耗和飽和磁通密度進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定(參見圖4)。

圖4：電感參數(shù)和特性

有了這些資料，我們就可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案計(jì)算出最大磁通密度。圖5顯示了最大磁通密度的計(jì)算公式。

圖5: 磁通密度計(jì)算公式

實(shí)際中的計(jì)算可以簡(jiǎn)化，用μI代替μR。當(dāng)與磁性材料的飽和磁通密度進(jìn)行比較時(shí)，就可以判斷設(shè)計(jì)的電感是否存在飽和風(fēng)險(xiǎn)。

方法2：計(jì)算最大電感電流

當(dāng)采用現(xiàn)有電感來(lái)設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以采用這種方法。不同電路拓?fù)湎?，電感電流的?jì)算公式也不同。

以開關(guān)模式變換器MP2145為例，可以根據(jù)以下公式計(jì)算電感電流，并將計(jì)算結(jié)果與電感規(guī)格進(jìn)行比較，以判斷電感是否會(huì)達(dá)到飽和(見圖6)。

圖6：以 MP2145為例計(jì)算最大電感電流

方法3：通過電感電流波形判斷電感是否飽和

此方法是工程師可用的最常見且最實(shí)用的方法。

我們采用MPSmart仿真工具，以MP2145為例來(lái)說(shuō)明。從仿真波形中可以看到，當(dāng)電感不飽和時(shí)，電感電流是具有一定斜率的三角波。當(dāng)電感飽和時(shí)，電感電流波形會(huì)產(chǎn)生明顯失真，這種失真是由飽和后電感降低引起的(請(qǐng)參見圖7)。

圖7：MP2145的仿真電感電流波形

我們可以觀察電感電流波形中的失真來(lái)確定電感何時(shí)達(dá)到飽和。

圖8顯示了MP2145評(píng)估板上測(cè)得的波形。可以看出，當(dāng)電感飽和后有明顯失真，這與仿真結(jié)果相符。

圖8：MP2145評(píng)估板的實(shí)際電感電流波形

方法4：測(cè)量電感的異常溫升并通過可聞噪聲來(lái)判斷

如果不知道系統(tǒng)的核心模型，則可能很難確定電感的飽和電流。有時(shí)候，測(cè)量電感電流也不是很方便，因?yàn)榭赡苄枰獙㈦姼袕?a target="_blank">PCB上部分抬起以測(cè)量其電流。所以，我們可以采用另一個(gè)技巧，即使用熱像儀測(cè)量電感溫度。如果溫度明顯超出設(shè)計(jì)預(yù)期，則可能表明電感已飽和(見圖9)。另外，將耳朵靠近電感，如果它發(fā)出聲音，則也可能表明它已經(jīng)飽和。

圖9：使用熱像儀測(cè)量電感溫度

推薦(點(diǎn)以下標(biāo)題)：

在設(shè)計(jì)帶電感的電源時(shí)，避免電感飽和非常重要。本文介紹了導(dǎo)致磁飽和的一些物理特性，給出了為電路選擇合適電感值的公式和電感飽和時(shí)的電流波形圖，同時(shí)還提供了觀察應(yīng)用中電感是否飽和的其他一些技巧。如果您正在為設(shè)計(jì)項(xiàng)目選擇電感，請(qǐng)參見我們最新的電感產(chǎn)品目錄。

審核編輯：湯梓紅