深度分析電感不為人知的核心參數(shù)

隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展，氮化鎵、碳化硅第三代半導(dǎo)體逐漸走入人們視野，不斷縮小充電器的體積。支持多個(gè)設(shè)備同時(shí)充電的多口充電器，大大方便了我們的生活。低功率的移動(dòng)電源也逐步退出市場(chǎng)，越來(lái)越多的高功率快充充電寶涌入市場(chǎng)，體積與普通充電寶差異不大，但卻支持高功率輸入與輸出。

多口充電器、移動(dòng)電源、拓展塢、車載充電器，甚至到電動(dòng)車等，這些設(shè)備內(nèi)的降壓或升降壓功率電感，你又知道多少呢?

在開(kāi)關(guān)電源(指直流轉(zhuǎn)直流電路，如Buck、Boost、Buck-Boost等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)橐灿薪K端成品叫開(kāi)關(guān)電源，指的是交流轉(zhuǎn)直流的方案，因?yàn)槎际峭ㄟ^(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率轉(zhuǎn)換電壓，都稱為開(kāi)關(guān)電源)電路的設(shè)計(jì)中，電感的設(shè)計(jì)與選型，給設(shè)計(jì)工程師帶來(lái)了許多的挑戰(zhàn)。亦或者電感的選型被絕大部分人所忽視。

電感量 L 又稱作自感系數(shù)，是物理量表示電感元件自感應(yīng)能力的一種方式。當(dāng)通過(guò)一個(gè)線圈的磁通(即通過(guò)某一面積的磁力線數(shù))發(fā)生變化時(shí)，線圈中便會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)，這是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

所產(chǎn)生的電勢(shì)稱感應(yīng)電勢(shì)，電勢(shì)大小正比于磁通變化的速度和線圈匝數(shù)。當(dāng)線圈中通過(guò)變化的電流時(shí)，線圈產(chǎn)生的磁通也要變化，磁通掠過(guò)線圈，線圈兩端便產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這便是自感應(yīng)現(xiàn)象。

因此，電感感量的大小，主要取決于線圈的圈數(shù)(匝數(shù))、繞制方式、有無(wú)磁心及磁心的材料等等。自感電勢(shì)的方向總是阻止電流變化的，猶如線圈具有慣性，這種電磁慣性的大小就用電感量 L 來(lái)表示。

L 的大小與線圈匝數(shù)、尺寸和導(dǎo)磁材料均有關(guān)，采用硅鋼片或鐵氧體作線圈鐵芯，可以較小的匝數(shù)得到較大的電感量。 通常，線圈圈數(shù)越多、繞制的線圈越密集，電感量就越大。有磁心的線圈比無(wú)磁心的線圈電感量大;磁心導(dǎo)磁率越大的線圈，電感量也越大。

電感器中，E6(容許差20%)、E12(10%)、E24(5%)系列較為常用。

工程師在設(shè)計(jì)中，比較常關(guān)注的參數(shù)有：

1、電感的感值(根據(jù)開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，以及輸入輸出的電壓，選取適合的感值);

2、電感的直流導(dǎo)通阻抗(在開(kāi)關(guān)電源的SW端流進(jìn)電感一側(cè)，再?gòu)碾姼辛硪粋?cè)流出，選取低DCR來(lái)降低電感本身的耗散功率);

3、電感的飽和電流(根據(jù)整體電路需要提供的輸出能力，選取適合的飽和電流，使電感低飽和工作);

4.電感的溫升電流(電感兩側(cè)加載直流時(shí)，電感本身的抵抗和流經(jīng)電感的電流的平方會(huì)產(chǎn)生熱能，電感溫度上升，溫升電流越大代表溫升越理想)等等。

資深的工程師，會(huì)關(guān)注：

1、電感的繞線結(jié)構(gòu)，不同的繞線結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)產(chǎn)生磁力線的方向會(huì)不同，磁力線的方向所經(jīng)過(guò)的地方，需要考慮是否有容易被干擾的元器件，是否需要考慮旋轉(zhuǎn)電感的擺放方向，或者增加屏蔽罩等措施來(lái)優(yōu)化整機(jī)工作性能，優(yōu)化EMC等;

2、電感的機(jī)械尺寸，在同等條件下，需要考慮電路工作的環(huán)境溫度，是消費(fèi)類產(chǎn)品的工作溫度還是工業(yè)級(jí)或汽車級(jí)，不同領(lǐng)域的工作環(huán)境不同，電感的通電工作時(shí)自身會(huì)產(chǎn)生溫升，疊加上環(huán)境溫度，以及密閉的惡劣條件，周圍器件的溫升疊加，是否需要考慮選用更大一尺寸的功率電感，同條件下，更大尺寸的電感，熱阻系數(shù)低，接觸空氣的表面積大，自身發(fā)熱會(huì)更低等等。

在更嚴(yán)峻的一些應(yīng)用場(chǎng)景中，又需要考慮發(fā)熱，但終端產(chǎn)品的體積又受限制，有的產(chǎn)品很薄，有的產(chǎn)品面積很小，不允許任性的選擇大體積的電感，這時(shí)候，工程師開(kāi)始靜下心來(lái)研究電感的一些“隱藏參數(shù)”，比如：

1、電感的交流導(dǎo)通阻抗(電感實(shí)際在應(yīng)用中，DCDC的SW輸出是一個(gè)直流疊加交流的波形，不同的開(kāi)關(guān)電源開(kāi)關(guān)頻率不同，頻率越高，電感的交流等效阻抗會(huì)衰減);

2、電感磁芯的矯頑力，剩磁(電感的整體損耗除了銅線的直流導(dǎo)通阻抗，交流阻抗，還有磁芯的材質(zhì)導(dǎo)致本身的磁損，也有成為鐵損的)，同樣條件下，不同的磁材料的電感，在整體電路中應(yīng)用時(shí)，整體效率，發(fā)熱的結(jié)果大相徑庭。

3、居里溫度，在一些極惡劣環(huán)境，指極度高溫時(shí)，磁芯的磁導(dǎo)率會(huì)急劇下降，通常在一些極限應(yīng)用中會(huì)關(guān)注。

4、電感的工藝結(jié)構(gòu)，不同的工藝，漏磁不同，因?yàn)榇艌?chǎng)是看不見(jiàn)的，尤其是一些半屏蔽電感，主要也是在一些條件苛刻的EMC認(rèn)證時(shí)會(huì)特別關(guān)注，如一些軍標(biāo)的認(rèn)證要求。

綜上，絕對(duì)大部分的工程師，關(guān)注的最多的還是電感的感值、直流導(dǎo)通阻抗(DCR)、飽和電流(Isat)。但如今的電子產(chǎn)品，功率越做越大，體積卻在越來(lái)越輕薄，經(jīng)常在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)遇到高度問(wèn)題，發(fā)熱問(wèn)題，但對(duì)電感沒(méi)有太深入的了解，這個(gè)廠家的電感不行，換個(gè)供應(yīng)商的試試，試了很多方案，還是不行，可能起初在方向就錯(cuò)了，眼看著項(xiàng)目交期臨近，著實(shí)傷腦筋。以下三體微為你深度剖析電感的選型要點(diǎn)，理解電感中各個(gè)參數(shù)的含義。

電感的功能

功率電感的用途，常常為開(kāi)關(guān)電源的輸出端中，搭建成LC濾波電路，其中的L就是功率電感(C是輸出電容)。只理解到這個(gè)程度還不夠，為了使得電感在設(shè)計(jì)中更優(yōu)化，甚至許多場(chǎng)合，發(fā)熱問(wèn)題和高度問(wèn)題都聚焦在電感上，我們必須搞清楚電感的發(fā)熱有哪些部分組成，隨著電子產(chǎn)品越做越小型化，越做越薄，終究有一天要弄清楚這個(gè)問(wèn)題，為了解決發(fā)熱問(wèn)題，必須更深入的了解電感在工作時(shí)的行為本質(zhì)。

在眾多開(kāi)關(guān)電源的拓?fù)渲?，?yīng)用原理相同，我們以降壓電源轉(zhuǎn)換(Buck拓?fù)?舉例，如圖1所示。電感的一側(cè)是連接在功率開(kāi)關(guān)切換處，連接到輸入或GND，另一側(cè)連接到輸出電壓。電路中由Q1功率管和CR1功率續(xù)流二極管來(lái)回高速切換進(jìn)行工作，隨著半導(dǎo)體工藝提升，越來(lái)越多Buck電路中的續(xù)流二極管已經(jīng)被功率開(kāi)關(guān)管所取代，并成熟應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。

注意，當(dāng)上管與下管(也有稱為High Side與Low Side)都是功率開(kāi)關(guān)管時(shí)，兩個(gè)功率管是不允許同時(shí)導(dǎo)通的(同時(shí)導(dǎo)通的話，輸入到GND的回路阻抗最低，會(huì)直接短路，電路會(huì)失效)，必須以合適的時(shí)間進(jìn)行上管與下管的導(dǎo)通，關(guān)斷的管理，使得兩管交替工作，稱之為“死區(qū)時(shí)間”。即Q1導(dǎo)通的時(shí)候，Q2必須斷開(kāi)，Q2導(dǎo)通的時(shí)候，Q1必須斷開(kāi)，必須非常精準(zhǔn)的進(jìn)行同步控制，所以上下都是功率開(kāi)關(guān)管的電源轉(zhuǎn)換電路，也被稱為同步整流電源轉(zhuǎn)換。

圖1.降壓電源轉(zhuǎn)換基本結(jié)構(gòu)

如圖2，分別是兩個(gè)工作狀態(tài)，在狀態(tài)1中，電感會(huì)通過(guò)上管(“high-side”)連接到輸入，在狀態(tài)2中，電感連接到GND。

圖2.Buck電路控制狀態(tài)

我們?cè)敿?xì)分析一下這兩個(gè)工作狀態(tài)，電感的電流與電壓是如何變化的，如圖3所示。

在狀態(tài)1中，電感的一端連接到的是輸入電壓，另一端連接到的是輸出電壓。對(duì)于一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器，輸入電壓高于輸出電壓，因此會(huì)在電感上形成一個(gè)正向的壓降。

在狀態(tài)2中，原來(lái)連接到輸入電壓的電感一端被連接到GND(通過(guò)續(xù)流二極管或者同步整流構(gòu)架的下管)。輸出電壓為正端，因此會(huì)在電感上形成一個(gè)負(fù)向的壓降。

圖3.電感在Buck電路中電流與電感的變化過(guò)程

由電感的電壓計(jì)算公式：

V=L(dI/dt)

單獨(dú)拉出其中一個(gè)周期做分析，如圖4，狀態(tài)1時(shí)，電感上的電流會(huì)慢慢增加;狀態(tài)2時(shí)，電感上的電流就會(huì)慢慢減小。具體電感的電流如下所示：

圖4.電感單個(gè)周期的電流狀態(tài)

先通過(guò)上管Q1為電感儲(chǔ)能，再通過(guò)下管Q2導(dǎo)通釋放到輸出端。電感不停的從輸入端存儲(chǔ)能量，輸出端釋放能量，電感儲(chǔ)能與放能為一個(gè)周期，每秒電感進(jìn)行了幾次儲(chǔ)能與放能，就是電感的工作頻率。

通過(guò)圖4可以看到，流過(guò)電感的最大電流為DC電流加開(kāi)關(guān)峰峰電流的一半。也稱之為紋波電流。根據(jù)上述的公式，可以計(jì)算出峰值電流：

其中，ton是狀態(tài)1的時(shí)間，T是開(kāi)關(guān)周期(開(kāi)關(guān)頻率的倒數(shù))，DC為狀態(tài)1的占空比。

備注：上面的計(jì)算是基于各元器件(MOSFET上的導(dǎo)通壓降，電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降)上的壓降對(duì)比輸入和輸出電壓是相對(duì)可以忽略的簡(jiǎn)化公式。

如果，各器件的壓降不作忽略，計(jì)算公式會(huì)復(fù)雜些：

同步整流轉(zhuǎn)換電路：

異步轉(zhuǎn)換電路：

其中，Rs為感應(yīng)電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導(dǎo)通電阻，R=Rs+Rm。

電感損耗組成及詳解

詳細(xì)講述了某一個(gè)周期的電感狀態(tài)的變化，開(kāi)始正式進(jìn)入電感選型的深度解析，眾所周知，開(kāi)關(guān)電路當(dāng)中，在設(shè)計(jì)中往往遇到高溫以及高度問(wèn)題的瓶頸時(shí)，電感基本都是聚焦點(diǎn)，那么電感的耗散功率到底有哪些部分組成呢?

絕大部分的設(shè)計(jì)人員，選型電感時(shí)只看重DCR，即電感的直流導(dǎo)通阻抗，但已經(jīng)選擇的較低DCR的電感，還是太燙，那就選一個(gè)更大尺寸的電感，希望通過(guò)更大的體積，接觸空氣的表面積更多，以及本身熱阻更低來(lái)降低溫度。

但如果體積與高度不允許的情況下呢?那就沒(méi)有退路了，所以必須搞清楚電感的耗散功率到底有哪些部分組成。三體微通過(guò)成功經(jīng)驗(yàn)的積累以及大量數(shù)據(jù)分析與你分享以下重要內(nèi)容。

電感的耗散功率，有三部分組成：

其中，Pdcr是直流偏置損耗，即大部分我們看到的電感規(guī)格書中的DCR。

即電感電流中，平均電流的平方與直流導(dǎo)通阻抗的乘積，但電感在此應(yīng)用當(dāng)中，并不是直流狀態(tài)，而是交流狀態(tài)，所以引入了Pacr的耗散功率部分。Pacr是交流偏置部分的損耗。

與Pdcr不同，Pdcr的損耗是下面長(zhǎng)方形部分的面積，而Pacr是電感電流三角波部分的面積，這里面有兩個(gè)變量，首先是電感自身的ACR是隨頻率變化的，即不同的開(kāi)關(guān)電源，開(kāi)關(guān)頻率是不同的。

如國(guó)際型電源芯片廠商，凌力爾特、ADI等，有幾十MHz的電源解決方案，國(guó)內(nèi)本土品牌鈺泰科技(ETA)有近10MHz的電源解決方案，當(dāng)然個(gè)別應(yīng)用場(chǎng)景為了其他設(shè)計(jì)要求，也有只能選擇低頻開(kāi)關(guān)頻率的電源方案。

頻率越高，電感的ACR值會(huì)越差，不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的線圈，不同的磁芯配方，都會(huì)導(dǎo)致不同衰減系數(shù)的ACR。在高頻下電子在集膚效應(yīng)的作用下，電子流通率明顯降低，這就是為什么ACR在高頻下會(huì)衰減的原因。

以下是三體微一款用于65W無(wú)線充低ACR的成品實(shí)測(cè)曲線，在不同頻率下，電感的ACR會(huì)發(fā)生明顯的變化。

另外一個(gè)重要變量，則是開(kāi)關(guān)電源的占空比，在不同的占空比下，比如19V轉(zhuǎn)16.8V，其占空比是88.42%，和19V轉(zhuǎn)1V，其占空比是5.26%，占空比不同，電感電流的di/dt完全不同，三角波面積也會(huì)完全不同，其對(duì)ACR的要求也會(huì)完全不同。

而以上兩組電源轉(zhuǎn)換，是在筆記本電腦當(dāng)中尤為常見(jiàn)的兩組電壓，分別是給4s電池充電的電路和CPU供電的電路。

就拿這兩個(gè)常用案例來(lái)說(shuō)，前者，三體微推薦SCHB1040-2R2M，該系列將優(yōu)化點(diǎn)重心放在優(yōu)化DCR上;后者，三體微推薦SCHH0630-R22M，該系列將兼?zhèn)鋬?yōu)化DCR同時(shí)優(yōu)化ACR。針對(duì)不同應(yīng)用，需要精準(zhǔn)判斷尋找適合的解決方案。

另外，關(guān)于Pcore，磁芯損耗，也有簡(jiǎn)稱為鐵損的：

這基本都是全球頭部電感供應(yīng)商的核心技術(shù)，core是電感磁芯的意思，在一體成型電感當(dāng)中，即磁粉原材料用不同的配方，直接影響Pcore的耗散功率。

在磁粉的耗散功率中，又由磁滯損耗，剩余損耗和渦流損耗組成，其中占比最大的是磁滯損耗，其他兩部分不作為主要討論對(duì)象。

磁芯材料磁化時(shí)，送到磁場(chǎng)的能量有2部分，一部分轉(zhuǎn)化為勢(shì)能，即去掉外磁化電流時(shí)，磁場(chǎng)能量可以返回電路;而另一部分變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。

磁化曲線中陰影部分的面積代表了在一個(gè)工作周期內(nèi)，磁芯在磁化過(guò)程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。如上圖可知， 影響損耗面積大小幾個(gè)參數(shù)是：最大工作磁通密度B、最大磁場(chǎng)強(qiáng)度H、剩磁Br、矯頑力Hc，其中B和H取決于外部的電場(chǎng)條件和磁芯的尺寸參數(shù)，而Br和Hc取決于材料特性。

電感磁芯每磁化一周期，就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量，頻率越高，損耗功率越大，磁感應(yīng)擺幅越大，包圍面積越大，磁滯損耗越大。

三體微有著頂尖的磁粉配方團(tuán)隊(duì)，曾于全球頂尖磁性元器件廠商核心配粉專家組工作十余年。其主要突破重心則是降低剩磁，以及矯頑力，從而使得磁滯面積縮小，抑制其在高頻工作時(shí)產(chǎn)生的耗散功率，同時(shí)在磁粉配方當(dāng)中，三體微專屬的解決方案，可降低成品熱阻特性，使得成品與友商在同樣的效率下，發(fā)熱優(yōu)于其他方案，降低熱系數(shù)，解決發(fā)熱問(wèn)題。

正如電流流過(guò)導(dǎo)體，電阻產(chǎn)生的壓降會(huì)發(fā)熱。電感內(nèi)部磁場(chǎng)方向高頻變化，也會(huì)造成功率損耗。電感的損耗分為三大部分：直流損耗、交流損耗、磁芯損耗。其中直流損耗即電感內(nèi)阻與電流的乘積。在實(shí)際應(yīng)用中主要為交流損耗和磁芯損耗。

電感磁芯的飽和度

通過(guò)已經(jīng)計(jì)算的電感峰值電流，我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會(huì)知道，隨著通過(guò)電感的電流增加，它的電感量會(huì)減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。

電感量會(huì)減少多少非常重要，而不僅僅只是看一個(gè)飽和電流，如果電感量衰減系數(shù)高，意味著過(guò)飽和電流后，衰減極具，反之則有較為平緩的下降幅度，可以應(yīng)用短時(shí)間大電流的特殊應(yīng)用場(chǎng)景。

要知道，如果在負(fù)載出現(xiàn)微短路狀態(tài)，如果電感徹底飽和，意味著直通，作為降壓電路，高壓直通到負(fù)載，負(fù)載會(huì)瞬間損壞。

以三體微SCCT系列和SCHT系列舉例，其磁衰非常緩慢，針對(duì)某些場(chǎng)景，需要特別高的飽和電流，甚至應(yīng)用時(shí)個(gè)別狀態(tài)會(huì)使得電感處于高磁飽狀態(tài)的，是非常適合推薦的。

可以對(duì)比一下市面上抗磁衰普通的電氣性能：

有非常多的應(yīng)用場(chǎng)景，電感的選型著實(shí)讓工程師絞盡腦汁，電感廠商三體微專注于開(kāi)發(fā)頂尖的功率電感產(chǎn)品和方案，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，從整體系統(tǒng)的角度為客戶精準(zhǔn)定位，推薦最為合適的產(chǎn)品，縮短整體研發(fā)周期。