【电路设计笔记】6.电感和开关电源问题的讨论

文 | Edward

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前两天，开始我们乐创客第一块开发板的设计，当我在进行电路设计时，我发现一些电路设计软件的使用，一些电路设计的方案，一些创新的想法，一些元器件的选型这些都是可以记录成文，并且分享出来一起讨论的。因此从本节文字开始，正式开启电路【电路设计笔记】的更新。当然，这里的部分电路是我用了非常多年的成熟电路，一些电路是我临时创新想出的未经过验证的电路，这些没有被验证的电路我会指出来，大家阅读时如果发现有问题也希望不吝指出。

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对于一个精通经验的嵌入式工程师来说，感性器件是永远绕不过的一道坎。其中感性元器件的代表就是电感，高频变压器和电机。电机的话题太过于复杂，我们暂时先不讲，今天的话题先来聊聊工作在开关电源中的电感和高频变压器。

  电源能量比的增加曾几何时，我们日常电子设备中的适配器又大又重，这些笨重的充电器和适配器虽然看着比较吓人，但是它们的功率往往只有5W，9W左右。这种能量比非常低的老式适配器它的名字为“线性电源适配器”。



而近些年开关电源的大量使用，这种笨重的电源适配器除了某些特殊需求时才会被用到，在我们日常生活中，基本已经见不到它们的踪影。取而代之的，是一个又一个小巧，功率大的开关电源适配器。



之所以现在的开关电源可以做到非常大的能量/体积比，其中功不可没的就是变压器和磁性元件的改善。可以做个比喻使用线性电源适配器时，其内部的线性变压器就类似于一辆马拉的火车，而高频变压器就类似于一辆汽油小车。虽然马车一次性可以拉很多货物，但是由于拉货来回的速度比较低，对于同样数量的货物，汽油小车肯定比马车拉的快。而开关电源和线性电源相比，也是如此。开关电源的高频变压器传输能量时可达60kHz，线性电源的变压器还是以工频电网的频率50Hz去传输能量的。

  反激电源中的变压器和电感常用的开关电源AC-DC变换器，它们大多是基于反激拓扑，反激拓扑电路结构简单，价格低廉，非常适合在商用设配器中使用。



一般来说，开关电源的主拓扑电路都已经确定好，每家厂商都一样，但是为什么我们平时设计产品时选用的电源发热量、效率、EMC却有着这么大的区别呢？这是因为真正考研一家电源厂商设计能力的正是工作在这些电源里面的磁性器件和感性器件。这些器件的选用会直接影响一个电源的效率，EMC和成本。
  电源中电感的分类（物理分类）电感依铁芯形状不同有环型（toroidal）、E型（E core）及工字型（drum core）；依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及两大软磁类，分别是铁氧体（ferrite）及粉末铁芯（metallic powder）等。依结构或封装方式不同有绕线式（wire wound）、多层式（multi-layer）及冲压式（molded），而绕线式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁胶之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。



电感感量和其内部磁心的截面积，气隙，匝数都有关系。



  电感的基本参数

电感值 (L)：电感值是实现所需电路功能的主要参数，也是大 多数设计程序中第一个要计算的参数。计算的电 感值要能够提供最小的能量储存（或伏特-微秒容 量）以及减少输出电流纹波。使用小一点的电感 值会增加直流输出的交流纹波。使用太大或太小的电感值可能会使转换器在连续与非连续运行模 式之间变化。

容差：大多数 DC-DC 转换器的应用对电感容差没有特别严格的要求。对于大多数元件来说，选择标准容差产品合乎成本效益，并且能够满足绝大多数转换器 的要求。一般来说电感容差是±20%，适用于大多数转换器。

直流电阻 (DCR)：DCR 只是电感所使用的铜线的一个量度。它严格 基于铜线直径和长度。在目录中通常规定为“最大值”，但也可以规定为带容差的标称值。第二种方法通过给出标称值或预期电阻可能更具指导性。跟通常为铜材的线圈材料的电阻率一样，DCR随温度的变化而变化。DCR 额定应考虑环境测试温度，这是很重要的。

交流电阻 此参数一般不会在电感数据表中显示，它通常不是一个问题，除非工作频率或电流的交流成分比直流 成分大。由于集肤效应，大多数电感线圈的电阻随工作频率 的增大而增大。如果交流或纹波电流相对于平均或直流电流要小，那么 DCR 是一个很好的电阻损耗度量标准。集肤效应随铜线直径和频率的变化而变化 ，因此，要包含此数据就需要目录所列的每一 电感的完整频率曲线。

自谐频率 (SRF)：每个电感线圈都有一些联带的分布电容，与电感值一起形成一个有自谐频率的并联谐振回路。对 于大多数转换器来说，电感最好是在远低于SRF 的频率下工作。这个通常在电感数据中显示为“典型”值。

电流额定值：在确定一个功率电感时，电流额定值或许是最难确 定的额定值。在整个开关循环过程中，通过 DCDC 转换器电感的电流总是在变化，并且可能是循 环到循环的变化，这取决于转换器的运作，包括由于突加负载或线路变化而产生的瞬变电流或尖峰电流。这就产生一个不断变化的电流值，有时具有非 常高的峰均比。正是峰均比使规格的确定变得困难。

饱和电流：电流通过电感的一个影响是铁芯饱和。DC-DC 转 换器的电流波形一般都有一个直流成分。此直流电 流通过电感时偏置铁芯从而导致其磁通量饱和。设 计人员需要知道，当发生饱和时，电感值下降，元件功能也不再表现为电感。在 10-20%的范围内进 行定义是很普遍的，但应注意的是，有些电感目录可能会定义为电感值下降 50%时的电流。这会增大电流额定值，但就电流的可用范围而言，这可能会 引起误导。

均方根电流 电流的另外一个重要影响是元件自身发热。均方 根电流用于测量多大的平均电流能够连续地通过 电感同时产生的温升小于规定值。数据表提供的 总是直流或低频交流应用的额定值，这并不包括 之前提到的因集肤效应引起的发热或其它高频效应。如示例，电流额定值可针对单一的温升点， 或者有些供应商提供温升与电流关系的图表或能 够用于计算任何电流的温升的因素。Irms 额定值应包括测量的环境温度。电感规格一 般包括一个工作温度范围。电感预计在此环境温 度范围内使用。因自身发热产生的温升可能会导 致电感温度高于额定范围。