如何選擇同步整流型降壓轉(zhuǎn)換器的電感器（下）

本系列文章將以轉(zhuǎn)換器 IC 評(píng)估板的參考電路為主題，說明選擇各種分立元件時(shí)的重要特性。在講解過程中，通過使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數(shù)，并使用仿真波形和計(jì)算值檢查電路的變化，解釋特性與電路之間的關(guān)系。在上篇《同步整流變換電路中輸入/輸出電容器的選擇方法》中，我們介紹了如何選擇同步整流器型降壓轉(zhuǎn)換器電路所需的輸入/輸出電容器，同時(shí)通過仿真確認(rèn)電容器特性的影響。

在《如何在同步整流變換電路中選擇電感器 (上)》中，我們介紹了電感器在電源電路中的作用和電感值：L。本文將對(duì)“額定電流 Isat、Itemp”；“直流電阻 Rdc”；“自諧振頻率 SRF”和“電感器的種類”進(jìn)行說明。

額定電流：Isat、Itemp

電感器額定電流主要有兩種類型：一個(gè)是由電感值 L 的降低 (以下簡(jiǎn)稱 L 值) 決定的額定電流，另一個(gè)是由溫升決定的額定電流。通常，前者稱為“直流疊加額定電流 (以下簡(jiǎn)稱 Isat)”，后者稱為“溫升額定電流 (以下簡(jiǎn)稱 Itemp)”。

Isat

隨著流過電感器的電流增加，L 值會(huì)因磁飽和而降低。L 值下降到一定程度時(shí)的電流值被定義為額定電流。Isat 是指 L 值下降到 20%~30% 的電流值 (具體數(shù)字因電感器的制造商和類型而異，因此請(qǐng)查看每個(gè)電感器的數(shù)據(jù)手冊(cè))。Isat 必須大于或等于最大電流 (電感峰值電流：ILpeak)。最大電流 ILpeak 是負(fù)載電流 (Iout) 加上紋波電流 (ΔIL) 的 1/2。ILpeak 可以通過以下公式計(jì)算：

紋波電流 (ΔIL) 由以下公式給出：

當(dāng)額定電流沒有裕量時(shí)，負(fù)載電流的增加會(huì)導(dǎo)致以下一連串反應(yīng)：

電流增加 → 磁飽和 → L 值減小 → 峰值電流進(jìn)一步增加

在這種情況下，電源 IC 的過電流保護(hù)功能(*)將被激活，從而導(dǎo)致輸出電壓 Vout 降低等問題。

注意

在高溫下，飽和從低電流值開始。

如果在 Isat 之外使用，則不會(huì)損壞電感器，但紋波電流 (ΔIL) 會(huì)因 L 值的降低而增加。因此電源 IC 的運(yùn)行可能會(huì)變得不穩(wěn)定，或者可能會(huì)超過電感器以外的元件的額定電流。

(*)過電流保護(hù)功能是由于輸出短路等事故導(dǎo)致輸出電流異常大時(shí)，停止電源 IC 的輸出的功能。檢測(cè)過電流和停止輸出的方法因產(chǎn)品而異，但電源 IC 的過電流保護(hù)功能稱為頻率折返型，這是一種通過降低振蕩頻率和降低 ON 占空比來限制輸出電流的方法。

Itemp

當(dāng)電流流過電感器時(shí)，繞組的電阻會(huì)產(chǎn)生熱量?；谧陨頊囟壬仙念~定電流值指定為 Itemp。如果產(chǎn)品使用超過此規(guī)定值，可能會(huì)導(dǎo)致部件故障或損壞。

Itemp 指定為溫升為 ⊿40°C 的電流值 (具體數(shù)字因電感器的制造商和類型而異，因此請(qǐng)查看每個(gè)電感器的數(shù)據(jù)手冊(cè))，因此應(yīng)根據(jù) Itemp 的值大于或等于 Iout 來選擇。

仿真

下圖 (圖1) 為 L 值和電流的磁飽和特性關(guān)系圖。在仿真中，我們將電感器 L1 與額定電流較高的 3.7A 產(chǎn)品 (HFL4020-222) 和負(fù)載電流為 2.5A 的較小的 1.05A 產(chǎn)品 (EPL2010-222) 進(jìn)行了比較。仿真電路如下圖 (圖2) 所示。在這里，我們不使用普通的電感器模型 (靜態(tài)模型)，而是使用飽和模型 (Saturation model)，它可以通過仿真來確認(rèn)飽和狀態(tài)，并在超過額定電流時(shí)檢查電感器電流的狀態(tài)。

圖1 磁飽和特性 (L 值 vs 電流)

圖2 電感器額定電流影響的仿真電路

具有足夠額定電流裕量的電感器的仿真結(jié)果

即使負(fù)載電流為 2.5A，電感也不會(huì)飽和，電感電流和輸出電壓保持穩(wěn)定。

圖3 足夠額定電流裕量的電感器的仿真結(jié)果

額定電流裕量不足的電感器的仿真結(jié)果

當(dāng)負(fù)載電流設(shè)置為 2.5A 時(shí)，發(fā)生磁飽和，電感值減小，導(dǎo)致電流進(jìn)一步增加。此時(shí)電源 IC 的過流保護(hù)功能被激活，輸出電壓降低。

圖4 額定電流裕量不足的電感器的仿真結(jié)果

要點(diǎn)

電感器的額定電流有兩種類型：直流疊加額定電流 (Isat) 和溫升額定電流 (Itemp)。

Isat 是 L 值降低 20%~30% 的電流值。

Isat 選擇等于或大于最大電流 (電感峰值電流) 的參數(shù)。

在高溫下，飽和從低電流值開始。

Itemp 是溫度上升到 ⊿40°C 時(shí)的電流值。

Itemp 值應(yīng)選擇大于或等于負(fù)載電流 Iout。

當(dāng)額定電流沒有裕量，負(fù)載電流增加時(shí)，電源 IC 的過電流保護(hù)功能被激活，并出現(xiàn)輸出電壓降低等問題。

直流電阻：Rdc

理想情況下，電感器除了電感外沒有其他元件，并且沒有能量損失。然而實(shí)際的電感器除了電感之外，還有一個(gè)電阻成分 (直流電阻 Rdc)。

直流電阻器 Rdc (以下簡(jiǎn)稱 Rdc) 越小，可減少因發(fā)熱引起的功率損失。如果 Rdc 很大，功率損耗會(huì)很大，效率會(huì)降低。此外發(fā)熱可能會(huì)對(duì)外圍元件產(chǎn)生不利影響。另一方面，在降低 Rdc 和減小 DC 疊加特性和尺寸之間存在權(quán)衡關(guān)系。因此，我們從滿足 L 值和額定電流等所需特性的電感器中，盡可能選擇 Rdc 最低的電感器。

在仿真中，更改電感的 Rdc 并在 Efficiency Report 中檢查 Efficiency 狀態(tài)。仿真電路如下圖 (圖5) 所示。將電感 L1 的串聯(lián)電阻 [Ω] 的效率與默認(rèn)值 20mΩ 和 100mΩ 進(jìn)行比較。

圖 5 Rdc 仿真電路

仿真結(jié)果如下圖 (圖6) 所示：

圖6 Rdc 仿真結(jié)果

以 Efficiency Report 中的 L1 功率值為例，20mΩ 的 Rdc 為 81mW，100mΩ 的 Rdc 為 407mW。顯然，當(dāng) Rdc 為 100mΩ 時(shí)，它會(huì)更大，這意味著當(dāng) Rdc 為 100mΩ 時(shí)，功率損耗更高。

要點(diǎn)

Rdc 越小，由于發(fā)熱造成的功率損失就越小。

在減少 Rdc 、直流疊加特性和尺寸之間需要權(quán)衡。

從滿足 L 值和額定電流等所需特性的電感器中，選擇 Rdc 較小的電感器。

自諧振頻率：SRF

理想電感器的阻抗與頻率成正比地增加，但實(shí)際電感器具有電容 (雜散電容)，因此會(huì)發(fā)生自諧振現(xiàn)象，并且在高于諧振頻率的頻率下，阻抗會(huì)降低。通常使用三種等效型號(hào)的電感器，如下圖 (圖7) 所示。一種是電感器和電容并聯(lián)，并連接一個(gè)串聯(lián)電阻，另一種是電容并聯(lián)到電感和串聯(lián)電阻，然后連接并聯(lián)電阻，它們都表現(xiàn)出幾乎相同的特征。

圖7 三種等效型號(hào)的電感器

并聯(lián)的電容和電感器在一定頻率下會(huì)產(chǎn)生自諧振現(xiàn)象，頻率響應(yīng)的圖像如下圖 (圖8) 所示：

圖8 頻率響應(yīng)圖像

在低于自諧振頻率時(shí)，它表現(xiàn)出電感特性 (阻抗隨著頻率的增加而增加)，高于自諧振頻率時(shí)，它表現(xiàn)出電容特性 (阻抗隨著頻率的增加而降低)，在更高的頻率下，它的阻抗減小，不再具有真正電感器的功能。頻率越高，阻抗越小，電感器就不再具有電感器的功能。

因此在為高頻電路或高頻模塊選擇電感器時(shí)，不僅要考慮所需的電感值，還要考慮相對(duì)于工作頻率的自諧振頻率。由于電感器在高于自諧振頻率時(shí)將不起作用，應(yīng)選擇自諧振頻率高于電源 IC 開關(guān)頻率的電感器。自諧振頻率由以下公式獲得，它隨著 L 值的減小而增加。

要點(diǎn)

在實(shí)際的電感器中，由于雜散電容而會(huì)出現(xiàn)自諧振現(xiàn)象。

電感器在自諧振頻率以下表現(xiàn)出電感特性，而當(dāng)頻率超過自諧振頻率時(shí)則表現(xiàn)出電容特性。

當(dāng)頻率高于自諧振頻率時(shí)，電感器不起電感器的作用，因此應(yīng)選擇自諧振頻率高于功率集成電路開關(guān)頻率的電感器。

隨著 L 值的降低，自諧振頻率增加。

電感器的種類

電源系統(tǒng)電感器根據(jù)其特性進(jìn)行分類，并根據(jù)產(chǎn)生的磁通量進(jìn)行分類。

按磁性材料分類

電感器的磁性 (磁芯) 材料有兩種類型：鐵氧體和金屬復(fù)合材料。到目前為止，鐵氧體一直很受歡迎，但近年來，使用金屬磁性材料的金屬復(fù)合類型電感器備受關(guān)注。與鐵氧體型相比，金屬復(fù)合型具有優(yōu)異的磁飽和特性和熱穩(wěn)定性。相反，鐵氧體型具有優(yōu)異的直流電阻。下表 (表1) 為二者的性能比較：

表1 磁性材料按材料分類

按磁通量分類

電源電感器有兩種類型：開路型和閉路 (屏蔽) 型。當(dāng)電流通過磁性材料的環(huán)形磁芯 (環(huán)形磁芯) 時(shí)，磁通量在磁芯內(nèi)部回流，這樣的磁路稱為閉合磁路。當(dāng)使用條形或鼓形磁芯時(shí)，磁通量從磁芯內(nèi)部流出，成為漏磁通量，并形成一個(gè)返回磁芯的回路，這稱為開磁路。如果漏磁通與其他線圈或布線模式磁耦合，則會(huì)產(chǎn)生噪聲。因此，開磁路類型的輻射噪聲更大，但即使是封閉的磁路類型，也有一些產(chǎn)品存在間隙并導(dǎo)致漏磁。

由于磁結(jié)構(gòu)的不同，封閉和開放磁路之間的飽和特性存在差異，因此直流疊加特性也存在差異。在閉合磁路的情況下，L 值隨著直流疊加電流的增加而逐漸減小。另一方面，在開路磁路的情況下，隨著直流疊加電流的增加，L 值在達(dá)到預(yù)定電流值之前相對(duì)平緩，但 L 值在預(yù)定電流值之后往往會(huì)急劇下降。但是根據(jù)所用磁性材料的特性，曲線的趨勢(shì)會(huì)發(fā)生變化。

圖9 開路和閉路磁路的飽和特性

下表 (表2) 為磁通狀態(tài)下的分類對(duì)比：

表2 磁通狀態(tài)下的分類

總結(jié)

本文主要介紹“額定電流 Isat、Itemp”；“直流電阻 Rdc”；“自諧振頻率 SRF”和“電感器的種類”。