STM32嵌入式開發 發表於 2021-01-16 12:01:57
「電感飽和」這個一直聽到的詞彙你究竟理解其含義嗎？除了電流彎曲失真、燒壞器件這些表象，在物理上「飽和」到底是什麼意思？
感值、耐溫、飽和電流、尺寸、價格 —— 這五個是我們電感選型的基本坐標系，當然我們還會考慮線圈和磁心的形態、磁材、安裝焊接方式。選型過程中最惱火的無過於在數十個電感中找到合適的，卻發現其中一個參數不滿足要求，或者僅僅因為發生概率極低的峰值功率而導致的飽和電流不足而帶來過大的設計裕量。
「感性」的秘密
電感之所以呈現感性，即流過電感的電流會滯後於施加在電感上的電流（事實上是滯後 90 度相角）：
因為楞次定律，電感就像熊孩子抓住家裡的寵物，阻礙寵物的前進（電流的變化），你得給熊孩子一些壓力，他先會不大情願，然後再讓寵物（電流）走一下（我們充分利用了這個不聽話的特性來實現我們扼流 Choke 的目的）；電感又像一個彈簧，當你施加壓力的時候，它把一部分能量存在自己體內，剩下的一部分能量傳輸出去，當彈簧被壓縮到極，它沒辦法再存儲更多的能量了，即發生飽和，所有增加的能量都被悉數傳遞出去，電感失去了它的滯後作用。
在物理上彈簧這個例子或許更加恰當，就像下面這段在網上找到的教科書般的答案：
電子在原子外層繞著數層軌道旋轉，每一層電子旋轉都會依愣次定律產生一微弱的磁場，每一層的磁力不同、方向也不同，但合力為零，沒有磁性。當一線圈通電流，同樣的依愣次定律產生一磁場，磁力線穿過磁性材料（鐵心），磁性材料內原子的電子旋轉軌道開始轉向，以抵消線圈產生的磁力線，線圈電流越大，越多磁性材料電子的旋轉方向改變，所有磁性材料電子旋轉方向都相同時，就是磁飽和。
電感飽和原因與理論分析
當我們在所有電子上都疊加一個共同的旋轉方向，就像整齊劃一的軍隊方陣，它的磁力就達到了，不能再增加磁力就被成為飽和。這種說明足夠形象，可以定性解釋飽和的概念，但是定性可能並不能讓你滿足，物理的魅力遠遠不止在定性分析。
電感飽和的物理意義
當我們談論電感飽和的時候，實際上是在談論鐵心飽和，空心的電感永遠不會飽和。這時候很直觀的問題就是：為什麼不使用空心電感呢？這就必須從電感量的計算公式說起（這裡直接拿出結論，具體的推導將在下一部分提到）：
式L中是感量，磁導率μ，繞組等效匝數N，磁路的等效截面積為S，電感線圈等效磁路長度為ɭ。
顯而易見，要提高感值可以增大分子μ、N、S ，減小分母ɭ。N往往受限於體積（尤其是功率電感的線非常粗，每一匝都會大大增加體積，且提高N也會提高）、線阻（發熱）、寄生電容（尤其是 EMC 電感，寄生電容會大大削弱其高頻抑制能力）。
在相同 dimensions 下，提高μ幾乎是唯一途徑，空氣的磁導率幾乎等於真空中磁導率μ0，而性能優異的磁性材料μ可達2000μ0，空心電感對比含有磁心的電感，其感值也會相差幾千倍。
9種鐵磁性材料表示磁飽和的磁化曲線
（1.鋼板 2.矽板 3.鋼鑄件 4.鎢鋼 5.磁鋼 6.鑄鐵 7.鎳 8.鈷 9.磁鐵礦）
「成也蕭何，敗也蕭何。」μ幫助我們獲得高感值，卻也帶給我們飽和的問題。磁場強度H和磁感應強度B的關係可以用磁導率表示：
磁性材料的磁導率不是一個恆定不變的量，而是取決於磁場強度H。在會發生磁飽和的金屬中，隨著通過電感的電流增加，相對磁導率μ隨磁場強度H的增加達到一個最大值，然後隨著它的飽和減小，最後會變為1，所以相應的電感L也趨向空心電感。
換句話說，就是變成了導線，這就是電感飽和的物理意義。電感不會消失，只會退化成空心電感。
B-H曲線（在很多教科書裡它有另一個名字：磁滯回線，當然，磁滯回線還有另外三個象限）如下圖所示，在H的右極限處，所有的材料都會趨向於同一根直線，這就是大自然的物理收斂：
因為磁飽和，鐵磁性材料的磁導率μf會隨磁場強度增加，上升到一最大值，之後漸漸下降。
用麥克斯韋方程組計算一切 —— 一切電磁相關的物理量，都可以從麥克斯韋方程組得出。電感並不例外：
電感（這裡只考慮自感）的物理定義式是：
它描述的是在單位電流變化率：
物理上最撓人的幾個事實之一就是，定義式往往不是用來設計的公式，針對後者我們還會有一個更常用的計算公式，下面來推導一下：根據法拉第定律（麥克斯韋方程之一），感應電動勢等於磁通（）變化率，如果是多匝線圈還需要考慮繞組等效匝數：
編輯：hfy
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