BUCK電源中的電感

設計者必須在t解電感理論的基礎上，再根據結構，額定電流，磁芯材料，磁芯損耗，溫度和飽和電流綜合評價，選擇最佳電感參數。另外值得慶的是，許多電感供應商都提供尺寸和性能優秀的產品，甚至還可以修改產品參數以滿足用戶需求的服務。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201807/384088.htm

電感簡介

電感、電阻和電容合稱為三大被動元件，其電器特性雖然各有不同，但卻都是3C 產品中不可或缺的關鍵元件。電感的主要功能為穩定電流與去除雜訊，另可搭配電阻與電容展現多種功能，故在機器、設備、消費性電子、電力配輸與抑制電磁輻射方面被廣泛運用。對電感的需求亦因而與日俱增。

電感的上遊主要是以鎳鋅與錳鋅鐵氧體磁芯兩大系列為主，因材料特性之不同，分別應用於資訊和通訊產品上。鐵氧體磁芯(Ferrite Core)是以高溫燒成的金屬氧化物，主要作為高頻線圈及變壓器等產品之磁芯。

電感的發展趨勢主要是因應系統產品的發展而變化。在電腦及其周邊資訊產品方面，由於對空間需求的迫切性不高，電感的發展以朝向產品體積小型化與發展排列式晶片電感為主。在通訊產品方面，由於該類產品對空間需求迫切度高，因此電感器除了朝向小型化發展外，亦需進一步開發整合型元件以因應產品的需求;此外，為因應產品高頻化的發展，電感亦需提高其使用頻率，而朝向陶瓷等高頻材料及元件開發。整體而言，未來電感器將朝向小型化、高頻化及整合化發展。

電感參數

當導線內通過交流電流時，在導線的內部及其周圍產生交變磁通，導線的磁通量與生產此磁通的電流之比。當電感中通過直流電流時，其周圍只呈現固定的磁力線，不隨時間而變化;可是當在線圈中通過交流電流時，其周圍將呈現出隨時間而變化的磁力線。根據法拉弟電磁感應定律(Faraday's law)-磁生電來分析，電感則是電流通過線圈產生的磁通量(Flux)儲存在鐵心中蓄積能量(Φ=LI)，當通過線圈的電流愈大時磁通量也相對愈大，即代表儲存的能量增加。產生的感應電動勢為：

如圖1 中，開關導通時間段，電感L 內的電流逐漸增加，當導通結束後，進入截止時間段，這時候由於L內的電流達到最大值，電感中的電流不能突變，所以，繼續有電流流過，當截止時間結束後，電感中的電流達到最小值，重新開始新的L期。電感就是透過這種在交換L期中的導通時間，將能量儲存在磁場內，並在斷開時，將所儲存的能量提供給負載來工作。

圖1.電感在DC-DC Buck 電路中的應用，工作在連續電流模式下。電感兩端的電壓可以突變但電流不會突變。

由於電感中變化磁場會對周邊產生電磁輻射，對周邊敏感元件產生幹擾，因此遮罩是首先需要考慮的，從圖4 可以看出遮罩與非遮罩電感的區別，他們各有優劣。遮罩的電感最主要就對外輻射少，但是尺寸比較大，線圈的損耗大，價格也貴。非遮罩的電感則可以做的很小，電流也可以做的很大，價格也便宜。如果設計中問題輻射是關鍵因數，遮罩電感還是首選。另外一個是環形電感越來越受歡迎了，環形有利於電磁遮罩，並且這種空氣的間隙分巖燦欣提高對電流的處理。

圖4. 遮罩與非遮罩電感的比較

圖5.自遮罩的環形電感

當電流流經時，電感的溫度會上升，交流紋波(AC ripple)會導致磁芯損耗，而直流電流會導致感應係數下降。穩態狀況下直流電流Irms 引起電感溫度上升20-40 攝氏度，這也是電感功耗的主要參考。另外，也有將Irms 歸類成輸出電流或開關模組的平均電流。功耗有兩部分組成，已是由Irms 部分計算的直流損耗P=I2R和AC 紋波電流引起的磁芯損耗。

磁芯損耗涉及到磁芯材料的選擇和磁芯截面甚至紋波電流，開關頻率和結合電路部分的感應係數。磁芯損耗的計算在開關開閉期間是不一樣的，但是根據經驗，可以估算出相對準確的數值。

圖2.電壓通過電感時由於感應電動勢的存在導致電壓與電流相位相反。

由於鐵氧體材料擁有高導磁率，因此相當容易讓磁通量通過，這將可協助將磁通量維持在電感器的磁芯，同時創造較小尺寸高磁性電感器的可能性。這亦可由上述的電感方程式分析出，裼孟喙卮判疚鎦剩就可以使用較小的截面積。

另外，O者必意R到感的工作囟群銅h境囟鵲牟e，@其中有感自身升氐牟e。比如f感工作B的囟仍O定在-40 到125 z氏度之g，感工作r自身囟瓤梢隕高40 z氏度，那N工作h境的囟染橢荒茉O置在-40 到85 z氏度之g。K且囟仁怯呻感能耗和表面eQ定的。

圖3.電感中電流隨時間變化的關係

電感選擇示例

基於電感的屬性，在圖7的電路是buck 轉換電路為例說明濾波電感的設計方法。這是常用的降壓調節電路，以提供穩定和高效的輸出電壓。在變換電路中，設有LC 濾波電路，濾波電感中的電流含有一個直流成分和一個L期性變化的脈動成分。電感L 的作用是濾除佔波開關輸出電流中的脈動成分，以減小紋波，也可以看成是續流用的，當開關斷開的時候，電感、負載、續流二極體就組成了迴路。從濾波效果方面考慮，電感量越大，效果越明顯。但是，如果電感量過大，會使濾波器的電磁時間常數變得很大，使得輸出電壓對佔空比變化的回應速度變慢，從而影響整個系統的快速性。一味地追求減小輸出電壓的紋波成分是不可取的。所以在設計電感參數時應從減小紋波和保持一定的快速性兩個方面去考慮。

圖7.DC-DC Buck 電路

此電路要求的相關參數如下：Vin=8-12V;Vo=5V;Io=0. 5-2A;fswitch=250kHz。電路工作在連續電流模式(CCM)下，即在各個工作狀態下，電感中電流大於0A。現在根據以上參數，可以算出所需電感的參數：

圖6. Irms 值的參考是在交流紋波比較小和磁芯損耗忽略的狀況下

磁芯材料和相應的參數

1. 計算電路中開關的L期T：T=1/f=1/250 kHz=4μs

2. 計算電路中開關的佔空比D：Dmin=Vo/Vin(max)=5V/ 12V=0.4

3. 計算開關導通時間Ton：Ton=TxDmin=4μs×0.4=1.6μs

4. 計算電感的紋波電流dI，一般不超過最大輸出電流的30%： dI=Io×0.3=2A×0.3=0.6A

5. 計算電感兩端的電壓V：V=Vin(max)-Vout- Vdiode=12V-5V-1V=6V

6. 計算最小的感應係數，由V=LdI/dt 得出：Lmin=Vdt/ dI=6V×1.6μs/0.6 A=16μH

7. 計算考慮誤差的感應係數，考慮到與標準之間20%的偏差和在額定電流下會有10-35%降幅：L=16μH/(0.8×0.65)=31μH , 再考慮到工作在連續電流模式下，因此感應係數調高到33μH。

8. 計算峰值電流Ipeak：Ipeak=Io(max)+dI/2=2A+0.6A/2=2.3A

電感的結構包括磁芯的尺寸、材料、繞組的匝數、導線的直徑等內容。電感量越大說明相應的匝數也會增多，磁芯的體積就要大一些;電流越大，說明裼玫牡枷呔馱醬鄭也要求磁芯的體積增大。裼酶叩即怕實牟牧希同樣的H 情況可以得到更大的B，磁芯的尺寸就會減小。要測量磁芯耗損通常相當困難，因為其包含相當}雜用來測量磁通密度的測試設置安排、以及對遲滯路的估算。迄今許多電感器u造商並沒有提供這方面的資料，不過卻有部分可以用來估算出電感器磁芯耗損的一些特性曲線，這可以由鐵氧體材料u造商、峰對峰磁通密度與頻率的函數得出。如果知道電感器磁芯所裼玫奶囟ㄌ氧體材料以及體積大小，那麼就可以利用這些曲線有效地估算出磁芯耗損。

此例中，如果選擇線圈N=20 匝，直流阻值0.06ohm，磁芯橫截面積A=0.071cm2，體積0.2cm3 和磁芯損耗為150mW/cm3 材料的電感，則：

磁通量B=(dI× L)/(2×N× A)=(0.6A×33μH)/(2×20×0.071cm2)=700 Gauss;

磁芯損耗P=150mW/cm3×0.2cm3=30mW;

DC 損耗P=I2R=(2A)2 ×0.06 ohm=240mW 。

現在關於電感的所有參數都計算出來了，接下來就需要根據參數挑選合適的電感。根據電感目錄對照可以很方便找出合適的電感。以下也給出了一些Tips：

1. 電感電流要依據設計中最大輸出電流來選擇

2. 感應係數的值必須達到理論的計算

3. 選擇理想的DC 阻抗，因為阻抗越小，DC 損耗就越小

4. 選擇合適的電感結構和磁芯類別

在目前以消費驅動的市場中，可以預計的是攜帶型電子產品的尺寸將會繼續縮小，以便滿足用戶的期望和需求。為了保持這種競爭優勢，設計者必須從以上的各項基本原則出發來選擇和使用高可靠性和緊湊性的電感。而隨著對電感基本原理的掌握及對本文示例的領會，設計者很容易找到合適電路的電感而不必像以前那樣反覆猜測。並且大多數電感廠商都可以根據用戶需求提供相關參數的小尺寸電感。本文的相關準則都可以作為設計標準參考，以確保在大多數苛刻應用下的可靠性要求。

圖8.在電源設計中電感大多用作儲能，濾波和續流。