判斷電感飽和的4種方法

上周在群里發(fā)了一張叼圖，通過看圖分析可能的原因。有的同學(xué)一下子就說出了原因，有的同學(xué)看不出來?？床怀鰜淼耐瑢W(xué)，說明對電源這塊知識的理解深度上所有欠缺，還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，可以繼續(xù)往下看哈。

關(guān)于電感飽和，MPS有一篇內(nèi)容非常好的文章。今天特意和大家分享下。前面沒有看出原因的同學(xué)，尤其要好好看下，我相信你一定會有所收獲。

1、電感飽和的原因

請參見圖1和下面的電感飽和步驟，來了解電感是如何達(dá)到飽和的：

當(dāng)電流通過圖1中的線圈時(shí)，線圈會產(chǎn)生磁場；

磁芯被磁場磁化，其內(nèi)部磁疇會緩慢旋轉(zhuǎn)。

當(dāng)磁芯被完全磁化后，磁疇的方向與磁場一致。這時(shí)，即使添加外部磁場，磁芯內(nèi)也沒有旋轉(zhuǎn)的磁疇。此時(shí)，電感達(dá)到飽和。

圖1：電感飽和示意圖

圖2從另一個(gè)角度表達(dá)了電感的飽和，并通過方程式顯示了系統(tǒng)的磁通密度（B）和磁場強(qiáng)度（H）如何影響電感。

當(dāng)磁通密度達(dá)到BM時(shí)，磁通密度不再隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加，此時(shí)電感達(dá)到飽和。

再看電感和磁導(dǎo)率（μ）之間的關(guān)系。當(dāng)電感飽和后，磁導(dǎo)率將大幅減小，從而導(dǎo)致電感大幅降低，并失去抑制電流的能力。

圖2：磁化曲線和公式

2、判斷電感飽和的技巧：

在實(shí)際應(yīng)用中判斷電感飽和的方法分為兩大類：理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試。圖3總結(jié)了這些方法。

圖3：判斷電感飽和的方法

理論計(jì)算需要計(jì)算最大磁通密度或最大電感電流，而實(shí)驗(yàn)測試則主要集中在觀察電感電流波形和其他的初步判斷方法上。具體請看下面的詳細(xì)描述。

方法1：計(jì)算磁通密度

這種方法適用于采用磁芯來設(shè)計(jì)電感的場景。磁芯參數(shù)包括磁路長度（lE）和有效面積（AE）。磁芯類型還決定了相應(yīng)的磁材等級。磁性材料也必須對磁芯損耗和飽和磁通密度進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定（參見圖4）。

圖4：電感參數(shù)和特性

有了這些資料，我們就可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)方案計(jì)算出最大磁通密度。圖5顯示了最大磁通密度的計(jì)算公式。

圖5: 磁通密度計(jì)算公式

實(shí)際中的計(jì)算可以簡化，用μI代替μR。當(dāng)與磁性材料的飽和磁通密度進(jìn)行比較時(shí)，就可以判斷設(shè)計(jì)的電感是否存在飽和風(fēng)險(xiǎn)。

方法2：計(jì)算最大電感電流

當(dāng)采用現(xiàn)有電感來設(shè)計(jì)電路時(shí)，可以采用這種方法。不同電路拓?fù)湎?，電感電流的?jì)算公式也不同。

以開關(guān)模式變換器MP2145為例，可以根據(jù)以下公式計(jì)算電感電流，并將計(jì)算結(jié)果與電感規(guī)格進(jìn)行比較，以判斷電感是否會達(dá)到飽和（見圖6）。

圖6：以 MP2145為例計(jì)算最大電感電流

方法3：通過電感電流波形判斷電感是否飽和

此方法是工程師可用的最常見且最實(shí)用的方法。

我們采用MPSmart仿真工具，以MP2145為例來說明。從仿真波形中可以看到，當(dāng)電感不飽和時(shí)，電感電流是具有一定斜率的三角波。當(dāng)電感飽和時(shí)，電感電流波形會產(chǎn)生明顯失真，這種失真是由飽和后電感降低引起的（請參見圖7）。

圖7：MP2145的仿真電感電流波形

我們可以觀察電感電流波形中的失真來確定電感何時(shí)達(dá)到飽和。

圖8顯示了MP2145評估板上測得的波形?？梢钥闯?，當(dāng)電感飽和后有明顯失真，這與仿真結(jié)果相符。

圖8：MP2145評估板的實(shí)際電感電流波形

方法4：測量電感的異常溫升并通過可聞噪聲來判斷

如果不知道系統(tǒng)的核心模型，則可能很難確定電感的飽和電流。有時(shí)候，測量電感電流也不是很方便，因?yàn)榭赡苄枰獙㈦姼袕?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/82/" target="_blank">PCB上部分抬起以測量其電流。所以，我們可以采用另一個(gè)技巧，即使用熱像儀測量電感溫度。如果溫度明顯超出設(shè)計(jì)預(yù)期，則可能表明電感已飽和（見圖9）。另外，將耳朵靠近電感，如果它發(fā)出聲音，則也可能表明它已經(jīng)飽和。

圖9：使用熱像儀測量電感溫度

在設(shè)計(jì)帶電感的電源時(shí)，避免電感飽和非常重要。本文介紹了導(dǎo)致磁飽和的一些物理特性，給出了為電路選擇合適電感值的公式和電感飽和時(shí)的電流波形圖，同時(shí)還提供了觀察應(yīng)用中電感是否飽和的其他一些技巧。

審核編輯：黃飛