功率電感器的使用方法

可靠性雜壇 2021-09-14 12:14

“傻瓜式”高密度電源設計 汽車電子架構重構與智能連接革命

本文來源面包板社區

電子設備在變得高性能的同時，會通過降低其所使用的LSI電源電壓來實現低耗電量以及高速化。電源電壓下降時，電壓變動的要求值將會變得更為嚴格，為滿足此要求特性，高性能DC-DC轉換器的需求不斷增加，而功率電感器則是左右其性能的重要元件。TDK擁有多種多樣的產品，本報道就符合DC-DC轉換器所要求特性的功率電感器的高效使用方法以及選擇方法的重點來進行說明。

功率電感器是左右DC-DC轉換器性能的重要元件

電感器（線圈）可使直流電流順利流過，而對于發生變化的電流，則會產生妨礙其變化的電動勢。這稱為自感應，針對交流電流，其擁有頻率越高越難通過的性質。為此，當電流流過電感器時會將其儲存為能量，屏蔽電流時會釋放能量。功率電感器正是利用了此性質，并且主要用于DC-DC轉換器等電源電路中。

圖1為降壓型DC-DC轉換器（二極管整流型）的基本電路，功率電感器是左右其性能的重要元件。

圖1　降壓型DC-DC轉換器（二極管整流型）的基本電路

功率電感器特性相關的參數相互間存在復雜的權衡關系

功率電感器的設計難度在于其特性會隨電流大小或溫度等而發生變化。例如，電感（L）擁有隨電流增大而降低的性質（直流重疊特性），同時，隨著電流增大，溫度會隨之上升，由此磁芯導磁率(μ)及飽和磁通密度（Bs）會發生變化。即使電感值相同，直流電阻（Rdc）值也會隨繞組的粗細及匝數變化，并且發熱的程度也會有所不同。此外，磁屏蔽結構的差異也會對噪音特性造成影響。

此類參數相互之間存在復雜的權衡關系，從DC-DC轉換器的效率、尺寸以及成本等綜合角度出發選擇最佳的功率電感器十分重要。

重點功率電感器的磁性體磁芯分為鐵氧體類與金屬類兩大類

功率電感器根據不同工藝可大致分為繞組型、積層型、薄膜型。同時，磁芯材料使用有鐵氧體類與金屬類磁性體。鐵氧體類磁芯中μ較高，由于高電感、金屬磁性材料磁芯的飽和磁通密度優異，因此適合大電流化。

重點功率電感器的額定電流分為直流重疊允許電流與溫度上升允許電流兩種。

磁芯變為磁飽和后電感值將會下降。可在非磁飽和狀態下流過的最大電流為直流重疊允許電流（例：相比初始電感值降低40%）。同時，繞組電阻引起的發熱中所規定的為溫度上升允許電流（例：因自發熱導致溫度上升40℃）。一般情況下，該兩種允許電流中，較小的一方為額定電流。

根據負荷大小或頻率不同損耗也會發生變化

重點因為溫度上升導致的主要損失為繞組引起的銅損以及磁芯材料引起的鐵損

繞組引起的損耗稱為銅損，磁芯材料引起的損耗稱為鐵損。銅損主要為繞組直流電阻（Rdc）引起的損耗（直流銅損），其與電流2次方成比例增大。同時，其擁有頻率越高，交流電流越會集中在導體表面附近流過，實際電阻值增加的性質（趨膚效應），在高頻范圍中還加上交流電流引起的銅損（交流銅損）。

鐵損主要包括磁滯損耗與渦流損耗。渦流損耗與頻率的2次方成正比，因此在高頻率范圍內渦流損耗引起的磁芯損失會增加。實現高效化的重點在于即使在高頻范圍內也選擇使用磁芯損失較少的磁芯材料。

圖2　功率電感器損耗原因

重點中～重負荷時主要為銅損，而輕負荷時則主要為鐵損

功率電感器的損耗會因負荷大小而發生變化。中～重負荷時流過電感器的電流中直流偏置電流較大，因此主要為繞組的直流電阻（Rdc）引起的銅損。而在輕負荷時，由于幾乎不會流過直流偏置電流，因此銅損會下降，但在待機狀態下也會有一定頻率的開關工作，因此主要為磁芯材料的鐵損，從而效率會大幅下降（圖3）。

圖3　DC-DC轉換器負荷大小與功率電感器損耗的不同

兼顧波紋電流的合理電感值的規定方式十分重要

重點非連續模式中的使用會對電源穩定性造成影響

降壓型DC-DC轉換器的功率電感器中，隨著開關器件的ON/OFF，會流過三角波相連的波形的波紋電流（ΔIL）（圖4）。中～重負荷時，直流偏置電流會與波紋電流重疊，因此電感器電流不會中斷。這稱為連續模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二極管整流型的DC-DC轉換器在Iout＜1/2ΔIL的輕負荷中會產生電感器電流變為零的期間。這稱為非連續模式，電感器電流會發生中斷，從而會對電源穩定性造成影響。同時，變為非連續模式時會發生嘯叫，或在因開關引起的脈沖狀電壓波形中產生振蕩，從而會產生噪音。

圖4　二極管整流型DC-DC轉換器的連續模式與非連續模式

重點設置電感值來使波紋電流變為額定電流的20～30%

波紋電流的大小與功率電感器的電感值有關。因此在二極管整流型DC-DC轉換器的設計中，會通過限制波紋電流來避免因非連續模式導致的問題。功率電感器所需電感值L通過如下公式計算。

電感值L=(施加于電感器的電壓/波紋電流)×Ton

通過該公式可明確電感大小與波紋電流大小存在權衡關系。從尺寸與成本方面考慮而使用電感較小的功率電感器時，波紋電流會增大。相反，想要減小波紋電流時則需要較大的電感，其不僅會對尺寸及成本方面造成不利，同時在后述負荷急劇變化時的過渡響應特性也會變差。因此在通常情況下，應設置電感值來使波紋電流變為額定電流的20～30%(額定電流的10%左右時不連續)（圖5）。

圖5　波紋電流與電感值的關系

重點通過合理降低電感值可改善負荷響應特性

在負荷劇增等情況下，輸出電壓會下降，為進行恢復，功率電感器中會短時間流過過大的峰值電流，用以對負荷電流與輸出電容器進行充電。在波紋電流較小的設置下，可能會無法得到為了立即從輸出電壓大幅下降狀態下恢復所需的過渡響應特性。因此需要采取降低電感值來增大波紋電流的方法。如圖6所示，若負荷響應特性較差，則輸出電壓將會大幅降低，但通過合理降低電感值增大波紋電流，則電感器電流變化將會變大，電壓下降幅度將會減少，恢復將會更快。但降低電感值時，在綜合考慮平衡的情況下進行設置十分重要。

圖6　降低電感值時的過渡響應特性改善效果

重點為應對負荷急劇變化時發生的峰值電流，將電流峰值設置為過電流設置值的110~130%

在開關器件及控制電流等模塊化的電源IC中內置有過電流保護電路。過電流設置值及檢測方法等有多個種類，在選擇外接的功率電感器時需要同時考慮過電流保護電路。相對于峰值電流，若功率電感器的允許電流無充分冗余，則可能會因過電流保護電路工作而引起輸出停止。一般情況下，流過功率電感器的電流峰值設置為過電流設置值的110~130%左右。同時，如圖7的直流重疊特性圖標所示，當流過過大的峰值電流時，磁芯的磁飽和擁有較柔和的特性（軟飽和），適用于不會發生電感值急劇下降的金屬類電感器。