【導(dǎo)讀】為功率應(yīng)用選擇合適的電感器看似很簡(jiǎn)單。貌似知道標(biāo)稱電感和飽和電流就足夠了。遺憾的是，該過(guò)程遠(yuǎn)比想象得更加復(fù)雜。盡管制造商為量化這些指標(biāo)付出了巨大的努力，但由于該等指標(biāo)存在諸多變量和數(shù)據(jù)清晰性問(wèn)題，導(dǎo)致它們常常無(wú)法完整地說(shuō)明電感器特性。鑒于沒(méi)有任何一個(gè)設(shè)備能夠滿足所有的電路要求，因此，在選擇功率電感器時(shí)，工程師應(yīng)確定最重要的性能因素，并優(yōu)先考慮那些有助于實(shí)現(xiàn)最佳電路運(yùn)行的因素。本文力求揭開(kāi)電感器特性的神秘面紗，并為選擇正確的功率電感器提供一般性指南。
No.1 電感
首先，您應(yīng)該確定相關(guān)電路中的電感范圍。鑒于電感在器件的整個(gè)工作期間基本上都不是恒定的，因此，了解有效值的范圍至關(guān)重要。對(duì)于開(kāi)關(guān)應(yīng)用中的電感器，允許的紋波電流和瞬態(tài)響應(yīng)目標(biāo)將決定電感需求。通常是將紋波電流保持在負(fù)載輸出電流的 30% 或更低水平。如果是在濾波應(yīng)用中使用電感器，則其阻抗必須足夠高，以衰減目標(biāo)噪聲頻率。工程師可借助在線提供的設(shè)計(jì)工具和公式來(lái)計(jì)算合適的電感值。電感通常會(huì)因施加的直流電流、溫度或交流驅(qū)動(dòng)電平而變化。為確保電感保持在目標(biāo)范圍內(nèi)，這些都是需要考慮的因素。
No.2 DCR
DCR，或稱為線圈電阻，其散熱和降低效率的方式與電流流經(jīng)它們且在兩端產(chǎn)生壓降的所有電阻都相同。這是測(cè)定導(dǎo)線加熱損耗的關(guān)鍵。因此，條件允許的情況下應(yīng)盡可能選擇較低的 DCR，以便最大程度地降低電感器的功率損耗。有時(shí)，在 DC/DC 應(yīng)用中，DCR 被用作電流檢測(cè)路徑，因此容差變得很重要。
No.3 飽和
額定飽和電流值是指電感器的有效電感值從標(biāo)稱值下降到一定的百分比之前，電感器可以支持的直流電流量。制造商公布的電感器飽和電流很容易引起誤解。不同的制造商會(huì)將下降百分比設(shè)置為 20% 或 30% 不等。產(chǎn)品簡(jiǎn)介中通常會(huì)借助曲線圖來(lái)顯示電感值相對(duì)于直流電流的變化情況。該圖相當(dāng)于制造商發(fā)布的數(shù)據(jù)而言更具說(shuō)服力，因?yàn)樗@示了電感在較大負(fù)載電流范圍內(nèi)發(fā)生的變化，而不是僅僅限于產(chǎn)品簡(jiǎn)介中列出的單點(diǎn)。
功率電感器根據(jù)基本磁芯材料的不同分為兩種。鐵氧體電感器極為常見(jiàn)，其特點(diǎn)是具有硬飽和曲線。其高磁芯材料的導(dǎo)磁率在直流電流水平甚至工作溫度達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)引發(fā)急劇的電感下降。僅憑飽和電流額定值是無(wú)法預(yù)測(cè)這種行為的。一旦鐵氧體飽和，其電感就會(huì)驟降，由此產(chǎn)生的高紋波電流會(huì)對(duì)電路造成永久性損壞。鐵粉（通常稱為復(fù)合或模制）電感器也很常見(jiàn)，可能是一種更安全的選擇。鐵粉電感器在較為寬泛的直流偏置電流和溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的電感及軟飽和特性，并且通常不可能完全飽和。
請(qǐng)參閱制造商公開(kāi)發(fā)布的飽和度曲線，以確保由于飽和度和溫度引起的電感下降不會(huì)導(dǎo)致紋波電流超過(guò)電路極限。
No.4 額定溫升電流和效率
功率電感器供應(yīng)商提供額定溫升電流，但與飽和電流一樣，該參數(shù)也可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。該參數(shù)代表將電感器溫度提高供應(yīng)商規(guī)定量（通常為 40°C）所需的直流電流。產(chǎn)品簡(jiǎn)介中給出這一額定值的前提是采用特定的測(cè)試設(shè)置，允許通過(guò)端子從感應(yīng)器中導(dǎo)出相對(duì)較高的熱量。因此，該額定值可能僅可用作預(yù)測(cè)電感器溫度升高的近似值。被動(dòng)或主動(dòng)冷卻方法、PCB 走線寬度、空氣流量以及與其他元件的接近度，都有可能導(dǎo)致電感器的實(shí)際溫度與額定熱電流所暗示的溫度大不相同。此外，對(duì)于高紋波振幅應(yīng)用而言，鐵芯和繞組中產(chǎn)生的交流損耗也將導(dǎo)致溫度升高。實(shí)際上，如果電感器在特定的負(fù)載電流下異常升溫，設(shè)計(jì)人員可能需要驗(yàn)證是否有足夠的熱量通過(guò)端子和芯體導(dǎo)出，或者電路工作沒(méi)有在電感器中造成過(guò)多的交流損耗。
較高的額定溫升電流對(duì)應(yīng)于較高的效率和較低的工作溫度，這種假設(shè)在一般情況下是成立的，但并不總是正確的。雖然較大的電感器通常具有較低的直流損耗和較高的效率（以犧牲成本和電路板空間為代價(jià)），但其散熱性往往更差一些。對(duì)于具有相同尺寸和電感的兩個(gè)電感器而言，較平坦的電感器將具有更好的自然冷卻特性，使其能夠保持 5?C 至 10?C 的較低工作溫度，即使產(chǎn)熱稍多一些也不例外。與鐵氧體相比，模制電感器具有出色的冷卻特性，并且可以憑借出色的導(dǎo)熱性在電感器表面提供更有效的熱傳遞。雖然額定溫升電流可能是有用的數(shù)據(jù)，但卻缺乏可能對(duì)適當(dāng)熱性能設(shè)計(jì)至關(guān)重要的交流損耗信息。
No.5 自諧振頻率和阻抗
由于不存在理想的電感器，因此，電感器等效電路模型是由交流電阻，電感，電容并聯(lián)以后和直流電阻串聯(lián)（圖 1）。在自諧振頻率（SRF）下，電感和寄生電容形成并聯(lián)諧振電路，此時(shí)，并聯(lián)交流電阻（R）成為主導(dǎo)元件。SRF 也是電感器的最高阻抗（Z）點(diǎn)。超過(guò) SFR 頻率以后電容性原件主導(dǎo)元件，因此該元件不再像電感器一樣工作（圖 2）。對(duì)于濾波應(yīng)用，只要阻抗充分由電阻控制，就可以使用超過(guò) SRF 的電感器，以適當(dāng)衰減目標(biāo)頻率。然而，在儲(chǔ)能的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中，為了避免出現(xiàn)破壞性的電流尖峰和共振，電感器的工作頻率不應(yīng)高于由于 SRF 而開(kāi)始升高的電感頻率。
圖1：電感器等效電路模型
圖2：阻抗（Ω）頻率（MHz）IHLP4040DZER150M11 在其 SRF 之前和之后的阻抗行為
No.6 EMI
當(dāng)今的電子電路具有越來(lái)越嚴(yán)格的電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）要求。電纜、PCB 板走線以及其他無(wú)源或有源組件部件會(huì)將噪聲傳導(dǎo)或輻射到周圍環(huán)境中。電感器也不例外。如果屏蔽不當(dāng)，電感線圈會(huì)發(fā)生磁耦合，在 PCB 走線和附近部件中產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲。線圈甚至可以充當(dāng)弱天線，向遠(yuǎn)處的電路和外部設(shè)備輻射 EMI。鐵氧體由于不連續(xù)氣隙處的邊緣磁通尤其嘈雜。相比之下，復(fù)合電感器提供更好的磁屏蔽，這不僅是因?yàn)榉植际綒庀队兄谧畲笙薅鹊販p少邊緣磁通量，而且還因?yàn)楦叽艑?dǎo)率的金屬顆粒將線圈完全包裹，對(duì)磁場(chǎng)起到了有效的抑制作用。
極為敏感的 EMI 應(yīng)用可能需要采取額外的噪聲抑制措施。Vishay 的 IHLE®產(chǎn)品系列（圖 3）在標(biāo)準(zhǔn) IHLP®產(chǎn)品上添加了 E-shield 技術(shù)金屬屏蔽層。當(dāng)焊接到地面時(shí)，屏蔽層可將有害的電磁輻射和泄漏通量衰減高達(dá) 21dB。
No.7 專用電感器
市場(chǎng)上有很多針對(duì)不同類型磁性應(yīng)用的創(chuàng)新解決方案。與使用多個(gè)分立電感器相比，這種封裝方式可以提供空間和成本節(jié)約優(yōu)勢(shì)并提高性能。例如，為了節(jié)省 PCB 空間， Vishay 的 IHLD 系列將兩個(gè)電感器封裝在一個(gè)產(chǎn)品中。這種設(shè)計(jì)特別適合 D 類音頻放大器。Vishay IHCL 還將兩個(gè)高度耦合的電感器封裝在一個(gè)產(chǎn)品中，用于 SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器和共模應(yīng)用。圖 3示出了這些解決方案。
圖3：Vishay 獨(dú)特的功率電感器產(chǎn)品示例
從左到右依次為：
● IHLP® 標(biāo)準(zhǔn)高電流模制電感器
● IHLE® 采用 E-shield 技術(shù)來(lái)抑制 EMI 的標(biāo)準(zhǔn) IHLP 電感器
● IHLD 用于 D 類音頻放大器的雙高電流電感器
● IHCL 用于 SEPIC 和共模電路的高度耦合的高電流電感器
總結(jié)
功率電感器是必不可少的儲(chǔ)能元件，可使濾波和開(kāi)關(guān)電路正常工作。設(shè)計(jì)人員必須選擇能夠以可承受的價(jià)格在最小尺寸下提供最佳性能的電感器。這需要仔細(xì)考慮以下基本電感器特性：電感、DCR、飽和度、額定熱電流、阻抗、SRF、效率、熱特性、尺寸和噪聲發(fā)射等。
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