如何為開關(guān)電源選擇合適的電感

鐵氧體和鐵粉是用于開關(guān)電源電感的兩種磁芯材料。應(yīng)用于電源的儲(chǔ)能電感通常制成閉環(huán)，使得整個(gè)磁場包含在電感的內(nèi)部，因此磁通大小與磁芯的存儲(chǔ)能量將表征磁芯材料的特性。

以Buck電路的輸出電感為例。該電感的磁芯具有一定的直流分量，適用的材質(zhì)有：

（1） 鐵粉芯

碾磨的鐵粉與其他的合金組成的精細(xì)顆粒與絕緣材料涂層構(gòu)成磁粉芯。鐵粉顆粒周圍的絕緣顆粒構(gòu)成了鐵粉芯的內(nèi)在分散氣隙。

（2） 帶氣隙的鐵氧體磁芯

Buck電路的電感具有一定的直流分量。若不開氣隙，鐵氧體磁芯極其容易飽和。開氣隙后，閉合磁路的磁通將快速增大。由于空氣的相對(duì)磁導(dǎo)率為1，且磁芯材料的相對(duì)磁導(dǎo)率為幾千以上，所以，磁芯中的大部分能量將存儲(chǔ)在氣隙磁通中。

氣隙降低了磁芯的有效磁導(dǎo)率，整個(gè)B-H曲線會(huì)傾斜，增大了飽和時(shí)的磁場強(qiáng)度H，磁芯不太容易飽和。圖 1為不開氣隙和開氣隙的B-H曲線。

圖 1 電感B-H曲線

通常我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)采用鐵氧體的電感設(shè)計(jì)，其磁芯損耗僅為電感總損耗（線圈加上磁芯損耗）的5%~10%。但是若電感采用鐵粉芯，則該值會(huì)增加到20%~30%。

一、電感：磁芯的飽和

當(dāng)流過電感的電流（或磁場強(qiáng)度）大于一定值時(shí)，電感的磁芯可能飽和。當(dāng)其飽和時(shí)，其感量會(huì)減小，并接近于0。

某反激電路的限流電阻上的電壓波形如圖 2所示（反激變換器中變壓器的初、次級(jí)可以看成一對(duì)耦合電感）。從圖中可以看出流經(jīng)初級(jí)電感的電流波形。當(dāng)電流增大時(shí)，電感逐漸飽和，電感量減小，從而導(dǎo)致梯形電流的波形的斜率增大。

文庫資料 2017 Guangzhou ZHIYUAN Electronics Stock Co., Ltd.

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圖 2 電感飽和波形對(duì)比

二、電感：磁通的泄漏

電感的重要特性就是磁通泄漏。非屏蔽電感（如空心電感、棒狀電感、工字電感、環(huán)形氣隙電感等）都會(huì)產(chǎn)生磁通泄漏。這些是EMI的潛在來源。

特別地，儲(chǔ)能電感中的氣隙的磁場可能會(huì)干擾系統(tǒng)的其他器件。如果使用開氣隙磁芯，為了使得磁場泄漏最小，使用小氣隙的大磁芯比使用大氣隙的小磁芯要好。

當(dāng)兩個(gè)電感L1和L2彼此靠近時(shí)，磁通泄漏將會(huì)在兩者之間產(chǎn)生互感。第一個(gè)電感電路產(chǎn)生的磁場會(huì)對(duì)第二個(gè)電路產(chǎn)生激勵(lì)。這一過程與反激變壓器初級(jí)、次級(jí)線圈之間的相互影響類似。當(dāng)兩個(gè)電流通過磁場相互作用時(shí)，所產(chǎn)生的電壓由互感LM

決定：

V2LMdI1 dt

式中，V2是向電路2注入的誤差電壓，I1是在電路1中流過L1的電流。LM對(duì)電路間距、電感環(huán)路面積以及環(huán)路方向非常敏感。

所以，電感的排列的原則有：

（1）正確排列電感的方向，使其成直角，使電感間的串?dāng)_降到最��；

（2）電感間距應(yīng)盡可能遠(yuǎn)。

周立功致遠(yuǎn)電子研發(fā)生產(chǎn)的ZY78xx系列模塊電源在設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮的電感的選擇和布局，在空間體積與性能參數(shù)上做了最優(yōu)化的平衡。此系列完全替換LM78xx系列芯片，具有高效率，小體積等優(yōu)點(diǎn)。

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教你如何正確的為開關(guān)電源選擇其合適的電感—電子工程世界2017-03-21 22:34 | #2樓

電感是開關(guān)電源中常用的元件，由于它的電流、電壓相位不同，所以理論上損耗為零。電感常為儲(chǔ)能元件，也常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上，用來平滑電流。電感也被稱為扼流圈，特點(diǎn)是流過其上的電流有“很大的慣性”。換句話說，由于磁通連續(xù)特性，電感上的電流必須是連續(xù)的，否則將會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰。

電感為磁性元件，自然有磁飽和的問題。有的應(yīng)用允許電感飽和，有的應(yīng)用允許電感從一定電流值開始進(jìn)入飽和，也有的應(yīng)用不允許電感出現(xiàn)飽和，這要求在具體線路中進(jìn)行區(qū)分。大多數(shù)情況下，電感工作在“線性區(qū)”，此時(shí)電感值為一常數(shù)，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開關(guān)電源存在一個(gè)不可忽視的問題，即電感的繞線將導(dǎo)致兩個(gè)分布參數(shù)（或寄生參數(shù)），一個(gè)是不可避免的繞線電阻，另一個(gè)是與繞制工藝、材料有關(guān)的分布式雜散電容。雜散電容在低頻時(shí)影響不大，但隨頻率的提高而漸顯出來，當(dāng)頻率高到某個(gè)值以上時(shí)，電感也許變成電容特性了。如果將雜散電容“集中”為一個(gè)電容，則從電感的等效電路可以看出在某一頻率后所呈現(xiàn)的電容特性。

當(dāng)分析電感在線路中的工作狀況或者繪制電壓電流波形圖時(shí)，不妨考慮下面幾個(gè)特點(diǎn)：

1. 當(dāng)電感l(wèi)中有電流i流過時(shí)，電感儲(chǔ)存的能量為：

e=0.5×l×i2 （1）

2. 在一個(gè)開關(guān)周期中，電感電流的變化（紋波電流峰峰值）與電感兩端電壓的關(guān)系為：

v=（l×di）/dt （2）

由此可看出，紋波電流的大小跟電感值有關(guān)。

3.就像電容有充、放電電流一樣，電感器也有充、放電電壓過程。電容上的電壓與電流的積分（安·秒）成正比，電感上的電流與電壓的積分（伏·秒）成正比。只要電感電壓變化，電流變化率di/dt也將變化;正向電壓使電流線性上升，反向電壓使電流線性下降。

計(jì)算出正確的電感值對(duì)選用合適的電感和輸出電容以獲得最小的輸出電壓紋波而言非常重要。流過開關(guān)電源電感器的電流由交流和直流兩種分量組成，因?yàn)榻涣鞣至烤哂休^高的頻率，所以它會(huì)通過輸出電容流入地，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出紋波電壓dv=di×resr。這個(gè)紋波電壓應(yīng)盡可能低，以免影響電源系統(tǒng)的正常操作，一般要求峰峰值為10mv~500mv。

紋波電流的大小同樣會(huì)影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設(shè)定為最大輸出電流的10%~30%，因此對(duì)降壓型電源來說，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。

降壓型開關(guān)電源的電感選擇

為降壓型開關(guān)電源選擇電感器時(shí)，需要確定最大輸入電壓、輸出電壓、電源開關(guān)頻率、最大紋波電流、占空比。下面以圖2為例說明降壓型開關(guān)電源電感值的計(jì)算，首先假設(shè)開關(guān)頻率為300khz、輸入電壓范圍12v±10%、輸出電流為1a、最大紋波電流300ma。

最大輸入電壓值為13.2v，對(duì)應(yīng)的占空比為：

d=vo/vi=5/13.2=0.379 （3）

其中，vo為輸出電壓、vi為輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為：

v=vi-vo=8.2v （4）

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感器上的電壓為：

v=-vo-vd=-5.3v （5）

dt=d/f （6）

把公式2/3/6代入公式2得出：

升壓型開關(guān)電源的電感選擇

對(duì)于升壓型開關(guān)電源的電感值計(jì)算，除了占空比與電感電壓的關(guān)系式有所改變外，其它過程跟降壓型開關(guān)電源的計(jì)算方式一樣。以圖3為例進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)開關(guān)頻率為300khz、輸入電壓范圍5v±10%、輸出電流為500ma、效率為80%，則最大紋波電流為450ma，對(duì)應(yīng)的占空比為：

d=1-vi/vo=http://emrowgh.com （7）

當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感器上的電壓為：

v=vi=5.5v （8）

當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感器上的電壓為：

v=vo+vd-vi=6.8v （9）

把公式6/7/8代入公式2得出：

請(qǐng)注意，升壓電源與降壓電源不同，前者的負(fù)載電流并不是一直由電感電流提供。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電感電流經(jīng)過開關(guān)管流入地，而負(fù)載電流由輸出電容提供，因此輸出電容必須有足夠大的儲(chǔ)能容量來提供這一期間負(fù)載所需的電流。但在開關(guān)管關(guān)斷期間，流經(jīng)電感的電流除了提供給負(fù)載，還給輸出電容充電。

一般而言，電感值變大，輸出紋波會(huì)變小，但電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也會(huì)相應(yīng)變差，所以電感值的選取可以根據(jù)電路的具體應(yīng)用要求來調(diào)整以達(dá)到最理想效果。開關(guān)頻率的提高可以讓電感值變小，從而讓電感的物理尺寸變小，節(jié)省電路板空間，因此目前的開關(guān)電源有往高頻發(fā)展的趨勢(shì)，以適應(yīng)電子產(chǎn)品的體積越來越小的要求。

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