【導(dǎo)讀】本文通過給出一些便攜式系統(tǒng)設(shè)計實際情況的相關(guān)信息，向系統(tǒng)設(shè)計人員和元件采購工程師介紹了在元件選擇過程中，應(yīng)該向元件生產(chǎn)商索取的必要數(shù)據(jù)，來幫助選擇合適的電容和電感元件。
如何選擇電感
為便攜式電源應(yīng)用選擇電感，需要考慮的最重要的三點是：尺寸大小、尺寸大小，第三還是尺寸大小。移動電話的電路板面積十分緊俏珍貴，隨著MP3 播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話中時，尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此，以前一直由線性調(diào)節(jié)器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實現(xiàn)更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器。正如其名稱所暗示的，這時需要一個電感。
電感的主要規(guī)格除尺寸大小外，還有開關(guān)頻率下的電感值、線圈的直流阻抗(DCR)、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據(jù)應(yīng)用的不同，電感類型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。
類似于電容中的直流偏置，廠商A的2.2μH電感可能與廠商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內(nèi)電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線，必需向廠商索取。在這條曲線上可以查到額定飽和電流(ISAT)。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒有規(guī)定ISAT。他們可能之給出了溫度高于環(huán)境溫度40 C時的直流電流。
DCR引起傳導(dǎo)損耗，在輸出電流較高時影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加，在輸出電流較小時影響占主導(dǎo)地位的開關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下，低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其它規(guī)格時，為什么系統(tǒng)設(shè)計人員還應(yīng)考慮ESR和Q因子呢？
當(dāng)開關(guān)頻率超過2MHz時，必需格外關(guān)注電感的交流損耗。規(guī)格說明書中列出比較的不同廠商的電感的ISAT和DCR在開關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗，導(dǎo)致輕負載下顯著的效率差異。這一點對提高便攜式電源系統(tǒng)中電池的壽命至為重要，因為系統(tǒng)大部分的時間是處于睡眠、待機或低功率模式下的。
由于電感生產(chǎn)廠商很少提供ESR和Q因子信息，設(shè)計人員應(yīng)該主動向他們索取。廠商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25 C，故應(yīng)該索取工作溫度范圍內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最壞情況一般是85oC。
圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關(guān)系。考慮一個降壓轉(zhuǎn)換器的例子，其規(guī)格參數(shù)如下：FSW=2MHz，VIN=5.5V，L=2.2 μH，VOUT=1.5V，I=0 到600MA，ΔI=289MA (計算值)。
圖3：各種電感的交流阻抗與頻率的關(guān)系
參見圖3，2.2μH額定電感在低頻下的DCR為0.2Ω，2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計算：
DC損耗=I2×DCR
AC損耗=(dΔI2)/12×ESR
由上式可知，輸出電流較高時，低頻或直流損耗占主導(dǎo)地位；輸出電流較低時，交流損耗占主導(dǎo)地位。ΔI是轉(zhuǎn)換器的峰峰值紋波電流，在連續(xù)傳導(dǎo)工作模式中，輸出電流高和低時其幅度都一樣。由數(shù)學(xué)計算可知，I=600MA時，電感總體損耗的91%是直流損耗；I=50mA時，電感總體損耗的93%是交流損耗。
圖4a (ESR) 和 4b (Q)給出了廠商A(低 ESR，高Q值)和廠商B(高ESR，低Q值)的電感，還顯示了采用這些電感(圖4c) 的2MHz轉(zhuǎn)換器的效率曲線。從這些數(shù)據(jù)判斷，即使廠商A有較高的DCR，它也能在輕負載下提供更高的效率。
圖4：電感的2MHz轉(zhuǎn)換器的效率曲線
根據(jù)應(yīng)用的不同，可以選擇屏蔽式或非屏蔽式電感器。一般而言，屏蔽式電感用于那些必須滿足嚴(yán)格的EMI規(guī)范的便攜式應(yīng)用。
最后但絕非不重要的是，按照生產(chǎn)方式的不同，有兩類電感器。第一類是傳統(tǒng)的繞線線圈式(Wire Wound coil)電感，另一類是較新式的芯片電感。芯片電感憑其尺寸和高度方面的優(yōu)勢使用正日益廣泛。PCB裝配時的安裝速度也是芯片(多層)電感生產(chǎn)商大肆宣傳的優(yōu)點之一。在選擇開關(guān)解決方案時，系統(tǒng)設(shè)計人員必須考慮到芯片電感的某些關(guān)鍵規(guī)格。電感和直流電流的關(guān)系隨溫度的變化是線圈式電感和芯片電感有顯著不同的一個主要參數(shù)。圖5顯示了繞線線圈電感和芯片電感的橫截面示意圖。
圖5：繞線線圈電感和芯片電感的橫截面示意圖
從圖6可看到，一般來說，線圈式電感的電感-直流電流及溫度關(guān)系曲線在飽和電流之前很平坦。在飽和電流之后，則隨電流變化出現(xiàn)急劇下降。典型地，ISAT在85oC 時比25 oC時要低10％到20%。
25 oC時，芯片電感有一個高于額定值的初始電感值。一旦電流增大，芯片電感就開始下降。因此，大多數(shù)情況下，額定ISAT的定義不適用于芯片電感。規(guī)定了溫度上升的額定rms電流也決定了芯片電感的額定電流。電感值隨溫度下降，不隨直流電流下降，是芯片電感的另一個特性。
圖6：線圈式電感的電感-直流電流及溫度關(guān)系曲線
關(guān)于實際的電感值，系統(tǒng)設(shè)計人員必須謹(jǐn)慎選擇正確的電感，并按照規(guī)格說明書找到最小的電感值。電感選擇不正確會影響到穩(wěn)定性，引起次諧波振蕩(sub-harmonic oscillations)，和/或降低開關(guān)的額定輸出電流。與陶瓷電容的情況相同，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)主要關(guān)注實際工作情況中的電感值，而非額定電感值。
如何為磁性降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感的額定電流呢？如果電感的額定IRMS大于所需輸出電流，最容易的方法是選擇額定值大于或等于開關(guān)的最大電流限值的ISAT。不過，正如我們在芯片電感中看到的，我們必須搜尋滿足穩(wěn)定性和輸出電流要求的最小電感值。選擇較高值的芯片電感(比如用3.3μH代替2.2μH) 來滿足電感要求是不可行的，因為對相同外殼尺寸的電感器，電感值越高，其下降就越劇烈。
此外，芯片電感廠商間存在著各種差異。例如，廠商A可能采用低滲透性材料，使電感值逐步改變。但這種方案需要更多的介電層。因此，較之采用高滲透率材料、下降更劇烈的廠商B，A將有更高的DCR，B的DCR較低。
