DC/DC選型：了解電感參數(shù)的基本含義

消費類應用是現(xiàn)代 DC/DC 變換器需求的主要驅(qū)動力。在這類應用中，功率電感主要被用于電池供電設備、嵌入式計算，以及高功率、高頻率的 DC/DC 變換器。了解電感的電氣特性對于設計緊湊型、經(jīng)濟型、高效率、并具備出色散熱性能的系統(tǒng)至關(guān)重要。

電感是一種相對簡單的元件，它由纏繞在線圈中的絕緣線組成。但當單個元件組合在一起，用來創(chuàng)建具有適當尺寸、重量、溫度、頻率和電壓的電感，同時又能滿足目標應用時，復雜性就會增加。

選擇電感時，了解電感數(shù)據(jù)手冊中標明的電氣特性非常重要。本文將提供指導，幫助您為解決方案選擇合適電感，同時闡明如何在設計新型 DC/DC 變換器時預測電感性能。

電感是什么？

電感是一種電路元件，它可以在自身磁場中儲存能量。電感通過儲存將電能轉(zhuǎn)換為磁能，然后向電路提供能量以調(diào)節(jié)電流。當電流增加，磁場就會增強。圖 1 展示了電感模型。

圖1: 電感的電氣模型

電感是采用絕緣線繞成線圈形成的。線圈可以是不同的形狀和尺寸，也可以使用不同的芯材纏繞。

電感的大小則取決于匝數(shù)、磁芯尺寸和磁導率等多種因素。圖 2 顯示了關(guān)鍵的電感參數(shù)。

圖2: 電感參數(shù)

表 1 顯示了如何計算電感 (L)。

表1: 計算電感(L)

下面，我們將詳細描述常見的電感參數(shù)。

磁導率

磁導率是材料響應磁通量的能力，也表明了在施加的電磁場中有多少磁通量可以通過電感。表2顯示了磁導率對磁通密度（B）的增強。

表 2：計算磁通密度 (B)

從表 2可以看出，磁通量的濃度取決于磁芯的磁導率和尺寸。

圖 3 顯示了一個沒有磁芯的線圈。

圖3: 空心線圈

空心線圈的磁導率為常數(shù)值（μr air），大約等于 1。

圖 4 顯示了一個帶磁芯的電感。當然，有磁芯時，磁場會增強。

圖4: 帶磁芯的電感

不同磁芯材料的典型磁導率不同。表 3 列出了三種不同芯材的磁導率。

表 3：磁芯磁導率

電感值 (L)

電感將感應的電能存儲為磁能的能力通過電感值來體現(xiàn)。在開關(guān)輸入電壓驅(qū)動電感的同時，電感要為輸出負載提供恒定的直流電流。

表 4 顯示了電流和電感電壓之間的關(guān)系?？梢钥闯觯姼袃啥说碾妷号c電流隨時間的變化成正比。

表 4：計算電感壓降

首先，確定設計需要的電感范圍。要注意，電感值在整個工作條件下并不是恒定的， 它會隨著頻率的增加而變化。因此，對具有更高開關(guān)頻率的應用，需要特殊考量。電感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的頻率下測試電感，因為大多數(shù) DC/DC 變換器都在此范圍內(nèi)工作。

電阻 (R)

電感的電流電阻會導致散熱，從而影響效率。總銅損中包含了 R_DC 損耗和R_AC 損耗。R_DC與頻率無關(guān)，始終恒定；RAC 則取決于頻率。表 5 顯示計算R_DC 的方法。

表 5：計算銅線 R_DC

降低銅損的唯一方法是增大導線面積，即改用較粗的導線，或使用扁線。采用扁線可以使繞組窗口被完全利用，從而帶來較低的 R_DC。表 6 所示為圓線與扁線的橫截面積比較。

表 6：圓形與扁線的橫截面積比較

表 7對圓線和扁線的特性進行了比較。

表 7：圓線與扁線的特性比較

使用公式 (1) 可以估算電感的直流銅損 (R_DC)：

(P_AC)銅損則取決于 P_AC，它是由頻率驅(qū)動的鄰近效應和趨膚效應引起的。頻率越高，P_AC 銅損越高。

磁芯損耗