为DC/DC转换器选择最佳电感器

作者： LEN CRANE，Coilcraft, Inc.技术营销总监

虽然 DC/DC 转换电路已经成熟到可以使用“食谱”设计辅助工具和软件来提供帮助，但选择正确的功率电感器是转换器设计的一个关键方面。这需要充分了解电感器性能以及所需的电路内性能与供应商数据表中提供的信息之间的关系。

可用于 DC/DC 转换器的电感器有多种形状和尺寸（图 1）。为了比较类型并为应用选择最佳部件，设计人员必须依靠正确理解已发布的规范。

图 1：电感器有多种形状和尺寸：薄型可实现薄型转换器设计。

电感器性能可以用相对较少的数字来描述。用于 DC/DC 转换器的表面贴装功率电感器的典型数据表摘录如下所示（表 1）。

表 1：表面贴装功率电感器的典型数据表摘录。

电感：根据表 1，电感 (L) 是提供所需电路功能的主要参数，并且是大多数设计程序中要计算的第一个参数。计算它以提供一定的最小能量存储量（或伏-微秒容量）并减少输出电流纹波。使用小于计算的电感会导致直流输出上的交流纹波增加。使用大得多或小得多的电感可能会迫使转换器在连续和不连续操作模式之间切换。

由于数据表显示所有可能的工作条件集的性能是不切实际的，因此了解额定值如何随不同工作条件而变化是很重要的。

公差：幸运的是，大多数 DC/DC 转换器应用不需要非常严格的公差电感来实现这些目标。与大多数组件一样，选择标准公差部件具有成本效益，并且大多数转换器要求允许这样做。表 1中的电感器 指定为 ±20%，适用于大多数转换器应用。

测试条件：这些很关键，设计人员需要特别注意电压、波形和测试频率。例如，大多数目录电感额定值都基于“小”正弦电压，而使用正弦电压是标准仪器测试条件。关于频率，大多数功率电感器在 20 kHz 和 500 kHz 之间变化不大，因此经常使用基于 100 kHz 的额定值并且是合适的。然而，电感最终会随着频率的增加而减小。随着开关频率增加到 500 kHz、1 MHz 及以上，根据实际应用频率考虑额定值变得更加重要。

直流电阻 (DCR)：这严格基于导线直径和长度，并在目录中指定为“最大值”，但也可以指定为带有公差的标称值。DCR 随温度而变化，因此 DCR 额定值还应注意环境测试温度，这一点很重要。铜的电阻温度系数约为每摄氏度 +0.4%。因此，所示部件的最大额定值为 0.009 Ω 在 85°C 时必须具有对应的最大额定值为 0.011 Ω — 在这种情况下只有 2-mΩ 的差异，但总变化约为 25%。显示了预期的 DCR 与温度的关系（图 2）。

图 2：基于 0.009 Ω（最大值）在 25°C 时的预期 DCR 与温度曲线。

交流电阻：电感器数据表中通常不显示，除非工作频率或电流的交流分量相对于直流分量很大，否则通常不会引起关注。

当试图最小化元件的尺寸时，设计者应该尽量选择电阻最大的元件。通常，减少 DCR 意味着必须使用更大的电线，并且可能需要更大的整体尺寸。因此，优化 DCR 选择意味着在功率效率、组件上允许的压降和组件尺寸之间进行权衡。

自谐振频率 (SRF)：每个电感绕组都有一些相关的分布电容，它与电感一起形成具有自然自谐振频率的并联谐振回路。对于大多数转换器，最好在远低于 SRF 的频率下运行电感器。这通常在电感数据中显示为“典型”值。

电流额定值：这可能是指定功率电感器时最困难的额定值。流经 DC/DC 转换器电感器的电流在整个开关周期中始终在变化，并且可能会根据转换器的运行情况在各个周期之间发生变化，包括由于负载或线路突然变化导致的临时瞬态或尖峰。这给出了一个不断变化的电流值，有时具有非常高的峰均比。使规范变得困难的是峰均比。寻找具有两种电流额定值的电感器：一种用于处理峰值电流可能导致的磁芯饱和，另一种用于解决由于平均电流而可能发生的发热问题。

饱和电流 (Isat)：电流通过电感器的一种影响是磁芯饱和。通常，DC/DC 转换器具有带有 DC 分量的电流波形。通过电感器的直流电流使磁芯偏置，并可能导致磁通量饱和。设计人员需要了解，当这种情况发生时，电感会下降并且组件不再用作电感器。显示了带间隙铁氧体磁芯的典型 L 与电流曲线（图 3）。

图 3：带间隙铁氧体磁芯的典型 L 与直流偏置电流曲线，显示电流饱和点。

可以看出，随着电感器进入饱和区，该曲线具有“拐点”。因此，饱和开始的定义有些武断，必须加以定义。在表 1的示例中，饱和定义为电感下降 10% 的点。10% 至 20% 范围内的定义很常见，但应注意，某些电感器目录可能使用 50% 电感降的数字。这增加了电流额定值，但就可用电流范围而言可能会产生误导。

虽然关于这个话题还有很多话要说，但只要说通常希望在接近饱和额定值的电流峰值下工作就足够了，因为这样可以选择尽可能小的电感器。

RMS 电流 (Irms)：电流的第二个主要影响是组件自发热。Irms 用于衡量多少平均电流可以连续流过部件，同时产生的温升低于规定的温升。在这种情况下，数据表通常会根据直流或低频交流电流的应用提供额定值，因此这不包括由于集肤效应或其他高频效应而可能发生的发热。如示例中所示，可以针对单个温升点显示电流额定值，或者一些供应商提供有用的温升与电流或可用于计算任何电流温升的因素的图表。

自发热引起的温升可能会导致电感器的温度高于额定范围。如果不超过绝缘额定值，这通常是可以接受的。

与其他参数一样，了解电感温升也很重要，以便在进行设计选择时可以与其他参数进行权衡。如果需要较低的温升，则最有可能的答案是更大尺寸的组件。

结论可以看出，用于 DC/DC 转换器的电感器可以用少量参数来描述。但是，每个评级都可以被认为是基于一组操作条件的“快照”，可能需要增强这些操作条件以完全描述应用条件下的预期性能。