功率電感器基礎講座——第3章：什么是DC-DC轉換器的重要特性

DC-DC轉換器需具備多種特性，而由于功率電感器的性能會對其產生較大的影響，因此尤其需要具備以下3個重要特性。

即①效率、②紋波電壓、③負載響應。

接下來，將對這些特性的具體內容及其與功率電感器的關系進行說明。

首先就功率進行說明。在理想的無損耗DC-DC轉換器中，輸入功率與輸出功率相等。此時效率為100%。然而，在實際的DC-DC轉換器中，僅PDC-DC的部分會消耗功率，因此輸出功率小于輸入功率。效率可用以下公式表示。PDC-DC越小，效率就越高。

此外，本章中所述的“效率”不僅限于功率電感器的效率，而是指DC-DC轉換器整體的效率。

圖3-2-2為效率測量結果的示例。流過負載的電流（Iout）會因應用領域而發生各種變化，因此多置于X軸。

在DC-DC轉換器中消耗的功率PDC-DC大致可分為以下三種：PIC、PPI、Pother。PIC為IC產生的損耗，包括開關損耗和由ON電阻導致的損耗等。PPII為電感器產生的損耗。Pother為電容器的ESR導致的損耗等其他損耗。

因工作條件和IC性能而異，PPI有時可占整體功耗PDC-DC的大約50%。因此，其對于功率電感器的效率影響較大，需具備低損耗的特性。

如以下公式所示，電感器損耗PPI可由DC損耗和AC損耗兩個部分表示。DC損耗表示因直流電流而產生的損耗，而AC損耗則表示因交流電流而產生的損耗。DC損耗表示因直流電流而產生的線圈導體的損耗，因此與Rdc（直流電阻）成正比。另一方面，AC損耗則與Rac（交流電阻）成正比，除因交流電流而產生的線圈導體的損耗外，還包括被稱為鐵耗的芯材損耗。此外，頻率變高時，導體損耗還會因為趨膚效應呈增加趨勢。此處提到的Rac以下述公式表示。Racspan style="font-size: 13px;">1表示因趨膚效應而增加的導體電阻成分，Rac2則表示因芯材而產生的電阻成分。

圖3-2-5為相對于負載電流的AC損耗和DC損耗的示意圖。流過電感器的電流的AC成分取決于輸入、輸出電壓和頻率。因此，即使負載電流發生變化，AC損耗量也不會出現較大的變化。另一方面，DC損耗的產生則與負載電流的平方成正比。低負載時電流較小，因此DC損耗也較小，而負載電流增加時，DC損耗也將大幅增加。因此，在低負載范圍內AC損耗將起決定性作用，而在高負載范圍內，DC損耗則起決定性作用。

接下來，將通過仿真實驗驗證功率電感器的電感、Rdc、Rac發生變化時將對效率產生怎樣的影響。設定仿真實驗的條件時，將移動設備中使用的降壓轉換器作為假設。

圖3-2-7為將Rdc從0.01變到2.0Ω的過程中效率的變化結果。低負載時Idc較小，因此即使Rdc發生變化，效率也基本保持不變。然而，由于高負載時Idc較大，因此Rdc的變化將對效率產生較大的影響。

接下來，將顯示將Rac從0.1變到10Ω的過程中效率的變化結果。由于Rac會影響AC損耗量，因此在AC損耗起決定性作用的低負載情況下，Rac將對效率產生較大的影響。但在高負載情況下，隨著Idc的增加，DC損耗將起決定性作用，因此即使Rac發生變化，效率也基本保持不變。

最后顯示將電感從0.22μH變到2μH的過程中效率的變化結果。同Rac一樣，電感也會對AC損耗量產生影響。因此，電感雖然會在低負載時對效率產生較大的影響，但在高負載時卻基本不會產生影響。

電感之所以會影響效率，是因為流過電感器的電流的AC成分取決于電感。三角波電流的斜率與電感的倒數成正比。因此，電感越大，電流振幅就越小，AC損耗也隨之減少。

綜上所述，為了抑制電感器損耗，電感器需具備低負載時低Rac、高電感，高負載時低Rdc的重要特性。

第二個重要特性是紋波電壓。紋波電壓是指輸出電壓中含有的微量的電壓變動成分。這些電壓變動與開關頻率同步發生。理想情況下的紋波電壓為零。這是因為，如果紋波電壓變動較大并低于負載端的系統最低工作電壓，將會導致系統運作出現異常。近年，DC-DC轉換器的低電壓、大電流化正呈發展趨勢，因此有必要為其提供更加穩定的電壓。

和驗證效率時一樣，下面將就電感的變化對紋波電壓產生的影響進行調查。

通過圖3-3-3，可知電感越高，紋波電壓的抑制效果就越好。如第2章中所述，電感越高，流過電感器的紋波電流就越能得到抑制，因此輸出的紋波電壓也會隨之減少。須注意的是，電感會因直流疊加特性而下降。使用直流疊加特性較差的元件會導致電感下降、紋波電壓增加。因此，很顯然在進行選擇時要確保Isat大于負載電流。

最后一個重要特性是負載響應。DC-DC轉換器提供一定的輸出電壓，但此時流過負載的電流會根據應用領域隨時發生變化。電流急劇變化時，輸出電壓會一時間上升或下降。這一電壓變動與電感成正比產生，因此功率電感器的性能將產生較大的影響。該電壓變動和恢復設定電壓所需的時間被稱為負載響應特性，電壓變動量較小、可短時間內恢復設定電壓的特性通常被認為是良好的負載響應特性。和之前所述的紋波電壓一樣，該性能對于重視提供穩定電壓的DC-DC轉換器來說是極為重要的。

下面將使用DC-DC轉換器的評估板，分別對各電感的負載響應特性進行評估。

通過測量結果，可知負載電流增減時輸出電壓會發生變動。并且，由于負載響應特性會因功率電感器的電感而產生，因此電感較低時輸出電壓的變動將變小，從而可獲得較好的負載響應特性。

在3.1～3.4中，已針對DC-DC轉換器的重要特性——“效率”、“紋波電壓”、“負載響應”闡明了功率電感器需要具備的特性。然而，使用高電感的元件雖然可以改善效率和紋波電壓，但負載響應也將隨之下降。并且，電感增大時，還存在Rdc和Rac也隨之增加的問題。如上所述，功率電感器的各種特性條件不可同時滿足，因此需要配合個別的工作條件和需求，在選擇功率電感器時進行權衡。

村田已在網站中公開了“DC-DC轉換器設計支持工具”，可幫助您選擇功率電感器。通過使用該工具，可在進行選擇時將本章中說明的DC-DC轉換器的重要特性納入考量。在第4章中，將針對該工具及選擇功率電感器的案例進行介紹。