電感器的各種鐵芯材料及其特性

摘要

電感器是開關(guān)轉(zhuǎn)換器中非常重要的元器件，如用于儲能及功率濾波器。電感器的種類繁多，例如用于不同的應(yīng)用（從低頻到高頻），或因鐵芯材料不同而影響電感器的特性等等。用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感器屬于高頻的磁性組件，然而因材料、工作條件（如電壓與電流）、環(huán)境溫度等種種因素，所呈現(xiàn)的特性和理論上差異很大。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，除了電感值這個基本參數(shù)外，仍須考慮電感器的阻抗與交流電阻和頻率的關(guān)系、鐵芯損失及飽和電流特性等等。本文將介紹幾種重要的電感鐵芯材料及其特性，也引導(dǎo)電源工程師選擇市售標(biāo)準(zhǔn)的電感器。

前言

電感器（inductor）是一種電磁感應(yīng)組件，用絕緣的導(dǎo)線在繞線支架（bobbin）或鐵芯（core）上繞制一定匝數(shù)的線圈（coil）而成，此線圈稱為電感線圈或電感器。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，當(dāng)線圈與磁場有相對運(yùn)動，或是線圈通過交流電流產(chǎn)生交變磁場時(shí)，會產(chǎn)生感應(yīng)電壓來抵抗原磁場變化，而此抑制電流變化的特性就稱為電感（inductance）。

電感值的公式如式（1），其與磁導(dǎo)率、繞組匝數(shù)N的平方、及等效磁路截面積Ae成正比，而與等效磁路長度le成反比。電感的種類很多，各適用于不同的應(yīng)用之中；電感量與線圈繞組的形狀、大小、繞線方式、匝數(shù)、及中間導(dǎo)磁材料的種類等有關(guān)。

（1）

電感依鐵芯形狀不同有環(huán)型（toroidal）、E型（E core）及工字鼓型（drum）；依鐵芯材質(zhì)而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及兩大軟磁類，分別是鐵氧體（ferrite）及粉末鐵芯（metallic powder）等。依結(jié)構(gòu)或封裝方式不同有繞線式（wire wound）、多層式（multi-layer）及沖壓式（molded），而繞線式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁膠之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。

電感器在直流電流如同短路，對交流電流則呈現(xiàn)高阻抗，在電路中的基本用途有扼流、濾波、調(diào)諧、儲能等。在開關(guān)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，電感器是最重要的儲能組件，且與輸出電容形成低通濾波器，將輸出電壓漣波變小，因此也在濾波功能上扮演重要角色。

本文將介紹電感器的各種鐵芯材料及其特性，也將介紹一些電感器之電氣特性等，以作為電路設(shè)計(jì)時(shí)，挑選電感器的重要評價(jià)參考。在應(yīng)用實(shí)例中，將透過實(shí)際范例介紹如何計(jì)算電感值，及如何挑選市售標(biāo)準(zhǔn)的電感器。

鐵芯材料之種類

用于開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電感器屬于高頻磁性組件，中心的鐵芯材料最是影響電感器之特性，如阻抗與頻率、電感值與頻率、或鐵芯飽和特性等。以下將介紹幾種常見的鐵芯材料及其飽和特性之比較，以作為選擇功率電感的重要參考：

1. 陶瓷芯

陶瓷芯是常見的電感材料之一，主要是用來提供線圈繞制時(shí)所使用的支撐結(jié)構(gòu)，又被稱為「空芯電感」（air core inductor）。因所使用的鐵芯為非導(dǎo)磁材料，具有非常低的溫度系數(shù)，在操作溫度范圍中電感值非常穩(wěn)定。然而由于以非導(dǎo)磁材料為介質(zhì)，電感量非常低，并不是很適合電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。

2. 鐵氧體

一般高頻電感所用的鐵氧體鐵芯是含有鎳鋅（NiZn）或錳鋅（MnZn）之鐵氧體化合物，屬于矯頑磁力（coercivity）低的軟磁類鐵磁材料。圖1為一般磁鐵芯之磁滯曲線（B-H loop），磁性材料的矯頑磁力HC亦稱為保磁力，系指當(dāng)磁性材料已磁化到磁飽和后，使其磁化強(qiáng)度（magnetization）減為零時(shí)所需的磁場強(qiáng)度。矯頑力較低代表抵抗退磁能力較低，也意味著磁滯損失較小。

錳鋅及鎳鋅鐵氧體具有較高的相對磁導(dǎo)率（relative permeability；μr），分別為約1500～15000及100～1000，其高導(dǎo)磁特性使得鐵芯在一定體積下可有較高的電感量。然而，缺點(diǎn)是其可耐受的飽和電流較低，且鐵芯一旦飽和，磁導(dǎo)率會急遽下降，可參考圖4所示鐵氧體與粉末鐵芯在鐵芯飽和時(shí)磁導(dǎo)率下降趨勢的比較。當(dāng)用于功率電感時(shí)，會在主磁路留氣隙（air gap），可降低磁導(dǎo)率、避免飽和及儲存較多能量；含有氣隙時(shí)的等效相對磁導(dǎo)率約可在20-200之間。由于材料本身的高電阻率可降低渦電流（eddy current）造成的損耗，因此在高頻時(shí)損失較低，較適用于高頻變壓器、EMI濾波電感及電源轉(zhuǎn)換器的儲能電感。以操作頻率而言鎳鋅鐵氧體適合用在（＞1 MHz），而錳鋅鐵氧體適用于較低的頻段（＜2 MHz）。

圖1、磁鐵芯之磁滯曲線（BR：剩磁；BSAT：飽和磁通密度）

3. 粉末鐵芯

粉末鐵芯亦屬于軟磁類鐵磁材料，是由不同材料的鐵粉合金或只有鐵粉所制成，配方中有顆粒大小不同的非導(dǎo)磁材料，因此飽和曲線較為緩和。粉末鐵芯多以環(huán)型（toroidal）呈現(xiàn)居多，如圖2所示為粉末鐵芯及其截面圖。

圖2、粉末鐵芯之截面圖

常見的粉末鐵芯有鐵鎳鉬合金（MPP）、鐵硅鋁合金（Sendust）、鐵鎳合金（high flux）及鐵粉芯（iron powder）等。因所含成分不同，其特性及價(jià)格也有所不同，因而影響電感器的選擇。以下將分別介紹前述之鐵芯種類并比較其特性：

A. 鐵鎳鉬合金（MPP）

鐵鎳鉬合金簡稱MPP，是molypermalloy powder的縮寫，相對磁導(dǎo)率約14～500，飽和磁通密度約7500高斯（Gauss），比鐵氧體的飽和磁通密度（約4000～5000高斯）高出許多。MPP具有最小的鐵損，在粉末鐵芯中，溫度穩(wěn)定性最好。當(dāng)外加直流電流達(dá)飽和電流ISAT時(shí)，電感值緩慢降低，不會急劇衰減。MPP的性能較佳，但成本較高，通常作為電源轉(zhuǎn)換器之功率電感及EMI濾波之用。

B. 鐵硅鋁合金 (Sendust)

鐵硅鋁合金鐵芯是由鐵、硅、及鋁組成之合金鐵芯，相對磁導(dǎo)率約26～125。鐵損介于鐵粉芯與MPP及鐵鎳合金之間。飽和磁通密度比MPP高，約10500高斯。溫度穩(wěn)定性及飽和電流特性比MPP及鐵鎳合金稍微遜色，但較鐵粉芯及鐵氧體鐵芯為佳，相對成本較MPP及鐵鎳合金便宜。多應(yīng)用于EMI濾波、功因修正（PFC）電路及開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器之功率電感。

C. 鐵鎳合金（high flux）

鐵鎳合金鐵芯是由鐵及鎳組合而成，相對磁導(dǎo)率約14～200，鐵損及溫度穩(wěn)定性均介于MPP及鐵硅鋁合金之間。鐵鎳合金鐵芯的飽和磁通密度最高，約15000高斯，且可耐受直流偏置電流較高，其直流偏置特性也較好。應(yīng)用范圍有功因修正、儲能電感、濾波電感、返馳式轉(zhuǎn)換器之高頻變壓器等。

D. 鐵粉芯（iron powder）

鐵粉芯是由顆粒非常小、彼此間絕緣的高純度鐵粉顆粒制成，制作過程使其具有分布式的氣隙。常見的鐵粉芯之形狀除了環(huán)型外，尚有E型及沖壓式。鐵粉芯之相對磁導(dǎo)率約10～75，約15000高斯之高飽和磁通密度。在粉末鐵芯中，鐵粉芯的鐵損最高，但成本最低。

表1粉末鐵芯特性之比較

表1列出了以上四種粉末鐵芯之比較。以實(shí)際應(yīng)用而言，其中之鐵硅鋁合金的特性在各方面均不錯，相對成本低，具有高性價(jià)比，因此常被用于EMI濾波電感。

圖3所示為TDK所制之PC47錳鋅鐵氧體與MICROMETALS所制之鐵粉芯-52及-2的B-H曲線；錳鋅鐵氧體的相對磁導(dǎo)率遠(yuǎn)高于鐵粉芯，飽和磁通密度也相差很多，鐵氧體約5000高斯而鐵粉芯大于10000高斯以上。

圖3、錳鋅鐵氧體與不同材質(zhì)鐵粉芯的B-H曲線

綜合上述，鐵芯飽和特性各有不同；一旦超過飽和電流，鐵氧體鐵芯的磁導(dǎo)率會陡降，而鐵粉芯則可緩慢降低。圖4所示即為具有相同磁導(dǎo)率的粉末鐵芯與有氣隙的鐵氧體在不同磁場強(qiáng)度下的磁導(dǎo)下降特性。這也解釋了鐵氧體鐵芯電感，因磁導(dǎo)率在鐵芯飽和時(shí)驟降，由式（1）可知，也造成電感量驟降；而有分布式氣隙的粉末鐵芯，磁導(dǎo)率在鐵芯飽和時(shí)是緩慢下降，因此電感量也降低得比較緩和，即有較好的直流偏置特性。在電源轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用中，此特性很重要；若電感的緩飽和特性不佳時(shí)，電感電流上升到達(dá)飽和電流，電感量突降會造成開關(guān)晶體的電流應(yīng)力突升，容易造成損壞。

圖4、粉末鐵芯與有氣隙的鐵氧體鐵芯在不同磁場強(qiáng)度下的磁導(dǎo)下降特性

電感器之電氣特性及封裝結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)開關(guān)轉(zhuǎn)換器并挑選電感器時(shí)，電感值L、阻抗Z、交流電阻ACR與Q值（quality factor）、額定電流IDC與ISAT、以及鐵芯損失（core loss）等等重要的電氣特性都必須考慮。此外，電感器的封裝結(jié)構(gòu)會影響漏磁大小，進(jìn)而影響EMI。以下將分別探討上述之特性，以作為選擇電感器之考慮。

1. 電感值（L）

電感器之電感值在電路設(shè)計(jì)時(shí)為最重要的基本參數(shù)，但必須看在工作頻率下此電感值是否穩(wěn)定。電感的標(biāo)稱值通常是在沒有外加直流偏置的條件下，以100 kHz或1 MHz所量得。且為確保大量自動化生產(chǎn)的可能性，電感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）與±30%（N）居多。圖5為利用Wayne Kerr的LCR表量測Taiyo Yuden 電感NR4018T220M之電感－頻率特性圖，如圖所示，在5 MHz之前電感值的曲線較為平坦，電感值幾乎可視為常數(shù)。在高頻段因寄生電容與電感所產(chǎn)生的諧振，電感值會上升，此諧振頻率稱為自我諧振頻率（self-resonant frequency；SRF），通常需遠(yuǎn)高于工作頻率。

圖5、Taiyo Yuden NR4018T220M電感-頻率特性之量測圖

2. 阻抗（Z）

如圖6，從阻抗圖也可以看出電感在不同頻率下的表現(xiàn)。電感的阻抗約與頻率成正比（Z=2πfL），因此頻率愈高，電抗會比交流電阻大很多，所以阻抗表現(xiàn)就如同純電感（相位為90?）。而再往高頻，由于寄生電容效應(yīng)，可以看到阻抗的自我諧振頻率點(diǎn)，過了此點(diǎn)阻抗下降呈現(xiàn)電容性，且相位逐漸轉(zhuǎn)為-90 ?。

圖6、Taiyo Yuden電感NR4018T220M之阻抗－頻率特性

3. Q值與交流電阻（ACR）

Q值在電感的定義中為電抗與電阻的比值，也就是阻抗中虛數(shù)部分與實(shí)數(shù)部分的比，如式（2）。

（2）

其中XL為電感器之電抗，RL為電感器之交流電阻。

在低頻段，交流電阻比電感造成的電抗大，所以其Q值很低；隨著頻率增加，電抗（約為2πfL）愈來愈大，即使電阻因集膚效應(yīng)（skin effect）與鄰近（proximity effect）效應(yīng)愈來愈大，Q值仍隨頻率增加；在接近SRF時(shí)，電感抗逐漸為電容抗抵消，Q值又逐漸變?。辉赟RF時(shí)變?yōu)榱?，因電感抗與電容抗完全相消。圖7為NR4018T220M之Q值與頻率的關(guān)系圖，其關(guān)系呈現(xiàn)倒鐘形。

圖7、Taiyo Yuden電感NR4018T220M之Q值與頻率的關(guān)系圖

在電感的應(yīng)用頻段里，Q值愈高愈好；表示其電抗遠(yuǎn)大于交流電阻。一般而言，Q值最好達(dá)到40以上，表示此電感的質(zhì)量佳。然而，一般隨直流偏置增加，電感值會下降，Q值也會降低。若采用扁平漆包線或多股漆包線，可以降低集膚效應(yīng)，即交流電阻，也就可以提升電感的Q值。

直流電阻DCR一般多認(rèn)為是銅線的直流電阻，此電阻可依線徑與長度計(jì)算。然而大部分小電流SMD電感在繞線終端會用超音波焊接做SMD的銅片，但因?yàn)殂~線長度不長，電阻值不高，因此焊接電阻常會占整體直流電阻相當(dāng)?shù)谋壤?。以TDK之繞線式SMD電感CLF6045NIT-1R5N為例，其量測直流電阻為14.6mΩ，而依線徑及長度計(jì)算之直流電阻為12.1mΩ。結(jié)果顯示此焊接電阻約占整體直流電阻的17%。

交流電阻ACR則因有集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)，而會造成ACR隨頻率增加；一般電感的應(yīng)用，因交流成份遠(yuǎn)低于直流成份，所以ACR造成的影響并不明顯；但是在輕載時(shí)，因?yàn)橹绷鞒煞萁档?，ACR造成的損耗便不能忽略。集膚效應(yīng)即在交流的條件下，導(dǎo)體內(nèi)部電流分布不均勻而集中在導(dǎo)線的表面，造成等效導(dǎo)線截面積降低，進(jìn)而使導(dǎo)線的等效電阻隨頻率提高。另外，在一個導(dǎo)線繞組中，相鄰的導(dǎo)線會因電流造成磁場的相加減，使得電流集中在導(dǎo)線鄰近的表面（或最遠(yuǎn)的表面，視電流方向而定），同樣造成等效導(dǎo)線截面積降低，等效電阻提高的現(xiàn)象，即所謂的鄰近效應(yīng)；在一個多層繞組的電感應(yīng)用里，鄰近效應(yīng)更是明顯。

圖8為繞線式SMD電感NR4018T220M的交流電阻與頻率關(guān)系圖。在頻率為1kHz時(shí)，電阻約為360mΩ；到了100kHz，電阻上升到775mΩ；在10MHz時(shí)電阻值接近160Ω。在估算銅損時(shí)，其計(jì)算須考慮集膚與鄰近效應(yīng)造成的ACR，并修正成式（3）。

（3）

IAC,i為某諧波頻率的RMS電流，RAC,i為該頻率下之交流電阻。

圖8、NR4018T220M之交流電阻與頻率關(guān)系圖

4. 飽和電流（ISAT）

飽和電流ISAT一般是標(biāo)注在電感值衰減如10%、30%或40%之情況下的偏置電流。以氣隙鐵氧體而言，因其飽和電流特性非常急遽，10%與40%相差不大，可參考圖4。但如果是鐵粉芯（如沖壓式電感），飽和曲線比較緩和，如圖9，電感衰減10%或40%的偏置電流相差很多，因此就飽和電流值，二種鐵芯將分開探討如下。

對于一個氣隙鐵氧體，以ISAT作為電路應(yīng)用最大的電感電流上限點(diǎn)是合理的。但如果是鐵粉芯，因?yàn)榫忥柡吞匦?，即便?yīng)用電路最大電流超過ISAT也不會發(fā)生問題，因此這種鐵芯特性最適合開關(guān)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用。在重載時(shí)，雖然電感器之電感值較低，如圖9，造成電流漣波因子較高，但現(xiàn)今的電容電流耐受度高，因此并不會成為問題。在輕載時(shí)，電感器之電感值較大，有助于降低電感的漣波電流，進(jìn)而降低鐵損。圖9比較了TDK之繞線式鐵氧體SLF7055T1R5N及沖壓式鐵粉芯電感SPM6530T1R5M，在相同電感標(biāo)稱值下的飽和電流曲線。

圖9、繞線式鐵氧體與沖壓式鐵粉芯在相同電感標(biāo)稱值下的飽和電流曲線

5. 額定電流（IDC）

IDC值為當(dāng)電感溫升為Tr?C時(shí)的直流偏置。規(guī)格書同時(shí)標(biāo)注其在20?C的直流電阻值RDC。依銅導(dǎo)線的溫度系數(shù)約為3,930 ppm，在Tr溫升時(shí)，其電阻值為RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗為PCU = I2DCxRDC。此銅損功耗在電感器表面散逸，可計(jì)算出電感的熱阻ΘTH：

（4）

表2為參考TDK VLS6045EX系列（6.0x6.0x4.5mm）的data sheet，并計(jì)算出在溫升40?C時(shí)之熱阻。顯然相同系列及尺寸的電感，因表面散熱面積一樣，其計(jì)算所得之熱阻也相差無幾；換句話說，可以估算不同電感的額定電流IDC。不同系列（封裝）的電感，其熱阻也不同。表3即比較了TDK VLS6045EX系列（semi-shielded）及SPM6530系列（molded）之電感的熱阻。熱阻愈大，表示此電感流過負(fù)載電流時(shí)所產(chǎn)生的溫升較高；反之則較低。

表2、VLS6045EX系列電感在溫升40?C時(shí)之熱阻

從表3可知，即使電感的尺寸相近，由于沖壓式電感的熱阻低，即散熱較好。

表3、不同封裝電感的熱阻比較

6. 鐵芯損失（core loss）

鐵芯損失，簡稱鐵損，主要由渦流損與磁滯損造成。渦流損大小主要是看鐵芯材料是否容易「導(dǎo)電」；若導(dǎo)電率高，即電阻率低，渦流損就高，如鐵氧體的電阻率高，其渦流損就相對的低。渦流損也與頻率有關(guān)，頻率愈高，渦流損愈大，因此鐵芯材料會決定鐵芯適當(dāng)?shù)墓ぷ黝l率。一般而言，鐵粉芯的工作頻率可到1MHz，而鐵氧體的工作頻率則可到10MHz。若工作頻率超過此頻率，則渦流損會快速增加，鐵芯溫度也會提高。然而，隨著鐵芯材料日新月異，更高工作頻率的鐵芯應(yīng)是指日可待。

另一個鐵損是磁滯損，其與磁滯曲線所圍之面積成正比，即與電流交流成份的擺動（swing）幅度有關(guān)；交流擺幅愈大，磁滯損也愈大。

在電感器之等效電路中，常用一個并聯(lián)于電感的電阻來表示鐵損。當(dāng)頻率等于SRF時(shí)，電感抗和電容抗抵消，等效電抗為零，此時(shí)電感器之阻抗即等效于此鐵損電阻串聯(lián)繞線電阻，且鐵損電阻已遠(yuǎn)大于繞線電阻，所以在SRF時(shí)的阻抗就約等于鐵損電阻。以一低壓電感為例，其鐵損電阻約在20kΩ左右，若以電感兩端的有效值電壓5V來估算，其鐵損約為1.25mW，這也說明了鐵損電阻愈大愈好。

7. 封裝結(jié)構(gòu)（shield structure）

鐵氧體電感的封裝結(jié)構(gòu)有非遮蔽式、加磁膠之半遮蔽式、與遮蔽式，而不論哪一種都存在相當(dāng)?shù)目諝庀?。顯然此空氣隙會有漏磁發(fā)生，且最壞的情況是會干擾周遭之小信號電路，或者，如果附近有導(dǎo)磁材料，其電感值也因此被改變。另一種封裝結(jié)構(gòu)為沖壓式鐵粉電感，由于電感內(nèi)部沒有間隙，且繞組結(jié)構(gòu)扎實(shí)，因此磁場散逸問題較小。圖10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量測沖壓式電感上方及側(cè)邊3mm處之漏磁場大小。表4列出不同封裝結(jié)構(gòu)電感的漏磁場大小比較，可看出非遮蔽式（non-shielded）電感之漏磁最嚴(yán)重；沖壓式（molded）電感的漏磁最小，顯示其磁遮蔽效果最好。這兩種結(jié)構(gòu)的電感之漏磁場大小相差約14dB，也就是將近5倍。

圖10、沖壓式電感上方及側(cè)邊3mm處之所量測之漏磁場大小

表4、不同封裝結(jié)構(gòu)電感之漏磁場大小比較

8. 耦合（coupling）

在一些應(yīng)用當(dāng)中，有時(shí)PCB上會有多組直流轉(zhuǎn)換器，通常會相鄰排列，且其對應(yīng)之電感器也會相鄰排列的情況，如果使用非遮蔽式或加磁膠之半遮蔽式的電感器，可能會相互耦合，形成EMI干擾。因此，在放置電感時(shí)，建議先標(biāo)注電感的極性，將電感最內(nèi)層之起繞點(diǎn)接到轉(zhuǎn)換器之切換電壓，如降壓轉(zhuǎn)換器的VSW，即動點(diǎn)，而將電感之外層出線端接到輸出電容，即靜點(diǎn)；銅線繞阻也因此如同形成一定程度的電場遮蔽。在多路轉(zhuǎn)換器的布線安排中，固定電感的極性，有助于固定互感的大小，避免一些意想不到的EMI問題。

應(yīng)用實(shí)例：

前面章節(jié)探討了電感的鐵芯材質(zhì)、封裝結(jié)構(gòu)、以及其重要之電氣特性，在本章會說明如何選擇合適之降壓轉(zhuǎn)換器之電感值，以及選擇市售之電感器的考慮因素。

如式（5）所示，電感值及轉(zhuǎn)換器之開關(guān)頻率都會影響電感漣波電流（ΔiL）。電感漣波電流會流經(jīng)輸出電容，影響輸出電容的漣波電流，也因此會影響輸出電容的選擇，并進(jìn)而影響輸出電壓的漣波大小。再者，電感值與輸出電容值亦會影響系統(tǒng)之回授設(shè)計(jì)及負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。選用較大的電感值，對于電容的電流應(yīng)力較小，也有利于降低輸出電壓漣波，且可儲存較多能量，然而電感值大就表示其體積大，亦即成本較高。因此，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，電感值的設(shè)計(jì)就非常重要。

（5）

由式（5）可知，當(dāng)輸入電壓與輸出電壓差距愈大時(shí)，電感漣波電流會愈大，也就是電感設(shè)計(jì)的最嚴(yán)厲狀況（worst-case condition）。再加上其他的歸納分析，降壓轉(zhuǎn)換器的電感值設(shè)計(jì)點(diǎn)通常應(yīng)選在最大輸入電壓與滿載的條件下。

在設(shè)計(jì)電感值時(shí)須在電感漣波電流及電感尺寸做取舍，在此定義漣波電流因子（ripple current factor；γ），如式（6）。

（6）

將式（6）代入式（5），則電感值可表示為式（7）。

（7）

根據(jù)式（7），當(dāng)輸入與輸出電壓差距愈大，γ值可以選取較大；反之若輸入與輸出電壓愈接近，γ值設(shè)計(jì)必須較小。為了電感漣波電流與尺寸之間的取舍，依傳統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值，γ通常取0.2到0.5。以下為以RT7276為例說明電感值的計(jì)算與市售電感器的選擇考慮。

設(shè)計(jì)實(shí)例：以RT7276先進(jìn)恒定導(dǎo)通時(shí)間（Advanced Constant On-Time；ACOTTM）之同步整流降壓轉(zhuǎn)換器來設(shè)計(jì)，其開關(guān)頻率為700 kHz，輸入電壓為4.5V到18V，輸出電壓為1.05V，滿載電流為3A。如上所述，電感值須設(shè)計(jì)在最大輸入電壓18V及滿載3A的條件下，將γ值取0.35，將上述數(shù)值代入式（7），得電感值為：

（8）

取用一常規(guī)標(biāo)稱電感值為1.5 μH的電感。代回式（5）計(jì)算電感漣波電流，如下

（9）

因此電感的峰值電流為

（10）

而電感電流的有效值（IRMS）為

（11）

因電感漣波成分小，因此電感電流有效值主要為其直流成分，此有效值即作為選擇電感額定電流IDC的依據(jù)。以80%減額（derating）設(shè)計(jì)，電感的需求為：

L = 1.5 μH（100 kHz），IDC = 3.77 A，ISAT = 4.34 A

表5所列為可選用之TDK不同系列的電感，尺寸相近但封裝結(jié)構(gòu)不同。從表中可知，沖壓式電感（SPM6530T-1R5M）的飽和電流及額定電流大，且熱阻小、散熱佳。另外，根據(jù)前章之探討，沖壓式電感的鐵芯材質(zhì)屬于鐵粉芯，因此相較于加磁膠之半遮蔽式（VLS6045EX-1R5N）及遮蔽式（SLF7055T-1R5N）電感的鐵氧體鐵芯，具有較好的直流偏置特性。圖11為不同電感應(yīng)用于RT7276先進(jìn)恒定導(dǎo)通時(shí)間之同步整流降壓轉(zhuǎn)換器的效率比較，結(jié)果顯示三者之效率差異并不大。而若考慮散熱、直流偏置特性及磁場散逸問題，建議選用SPM6530T-1R5M電感。

表5、TDK不同系列的電感比較

圖11、不同電感之轉(zhuǎn)換器效率比較

若選用相同封裝結(jié)構(gòu)及電感值，而尺寸較小的電感，如SPM4015T-1R5M（4.4x4.1x1.5mm），雖然其體積小，但直流電阻RDC（44.5mΩ）及熱阻ΘTH（51?C/W）較大。對于相同規(guī)格之轉(zhuǎn)換器而言，電感所耐受的電流有效值也相同，顯然直流電阻大會降低重載時(shí)之效率，此外，熱阻大即表示散熱較差。因此，在選擇電感時(shí)不可只考慮縮小尺寸帶來的效益，還需評估其伴隨的缺點(diǎn)。

結(jié)論

電感在開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器中是常用的被動組件之一，可用來儲能以及濾波。然而在電路設(shè)計(jì)上，需要關(guān)注的不僅電感值這個參數(shù)，其它包括交流電阻與Q值、電流耐受能力、鐵芯飽和程度、以及封裝結(jié)構(gòu)等等，都是在選擇電感器時(shí)須考慮的參數(shù)。而這些參數(shù)通常與鐵芯材料、制程工藝、更與尺寸成本有關(guān)。因此本篇介紹了不同鐵芯材料的特性，以及如何選擇適當(dāng)?shù)碾姼?，作為電源設(shè)計(jì)的參考。

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