如何為開關(guān)電源選擇合適的電感

電感，一直以來都有些許神秘：它可以產(chǎn)生磁場，把磁場和電場聯(lián)系起來；電感的電流I不能突變，但電流變化率dI/dt可以突變；電感的儲(chǔ)能與其流過的電流有關(guān)。

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。

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：

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)_降到最小；

（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)。

圖 3 ZY78xxS-500系列