关于电感的应对方法介绍

电感在各种以开关模式工作的电源转换器中的角色是非常重要的，离开了它，很多事情就做不成了，无论我们怎么看重它都是不为过的。当我们这样想的时候，我们只是看到了好的一面，我们看见的是有形的电感。实际上，电感在很多时候是无形的，它会在我们不需要它的时候出现，并且成为麻烦之源。

要认识清楚这一点，我们应当牢记电感三法则：

法则一：电流周围会形成闭合磁力线圈。

法则二：电感是导体电流1A时周围的磁力线匝韦伯数。

法则三：周围磁力线匝数改变时导体两端产生感应电压。

我们所谓的电路实际就是电流所走的路，而有电流就会有磁力线存在，有磁力线存在就会有电感表现出来，所以，实际的电感在电路中是无处不在的，只不过它们不是我们常见的电感器的样子，它们是导体。

可以被称为导体的东西很多，导线、铜箔、器件的引脚和IC内部的连接线等等都是。从流过电流的角度来看，IC内部的电路其实也算，只不过它们的尺寸比较小罢了，我们可能不把它们放在心上。

由于一有电流流过导体就会表现出电感的特性，在电流变化的时候电感的两端就会表现出感生电压，有时候对器件的选择就会有特定的要求。电源电路中常常会要求对流过开关管的电流进行取样，这时候就需要使用电阻，缺乏经验的工程师可能会让线绕电阻器去承担这一职责，这样出来的效果就会很糟糕，因为从它取样得到的电压完全是变形的，如果换成金属膜电阻或是合金电阻，问题可能立马就消失了。这样的状况就是上了电感的当，因为线绕电阻器的电感是相当大的，它们并不适合在电流高速变化的电路中使用。

要计算一段导体的电感并不是一件容易的事，但对标准导体却有比较好的评估工具可以利用。直圆杆导线可以算是很标准的东西，一段长度为d的直圆杆导体的电感量可以用下述公式进行评估：

其中的d是直圆杆的长度，r是导线的半径，它们的单位都是英寸，计算的结果L表示这段导线的局部电感，其单位为nH。如果导线的直径为10mil，线长为1英寸，则计算结果为26nH。由于1英寸等于25.4mm，所以我们大致可以知道1mm这样的导线的电感约为1nH，这样的计算虽然不准确，但用来进行感性的评估应该是够了。看看自己的PCB或者器件的引脚，上面的连接线有多长，大概的电感就可以被推算出来。

实际上，当导线变长的时候，由于每段导线周围的磁力线既有流过本段的电流产生的，也有其他部分的电流产生的，所以电感的增长是大于导线长度的增长的，如果再把它密绕成圈，电感的增长就更可怕了，它与匝数的平方成正比。如果导线变粗、铜箔宽度增加呢，实际的电感量就下降了，这是由于电流扩展开了，由它形成的表面磁力线强度的积分会减小，这带来了电感下降的结果。从这就可以看出，在电源电路的PCB设计中要求大电流路径线路要短、铜箔要宽是很有道理的。

我们在进行上述的思考时一直在利用这个公式：

这个公式来自于电感法则三，计算的结果是电感两端的感生电压，∆N是磁力线匝数的变化量，∆t是变化发生的时间长度，dI/dt是电流的变化速度，L就是电感的量了。

实际上，电感的量和电流的大小是没有关系的。一个电路一旦形成实物，其特性就会被固化，但这种被固化的东西却是会随着电流的变化速度而改变的，因为dI/dt越大，VL也会越大，这在大电流的应用中表现尤甚，因为电流增大了，电流的变化时间却没有改变，其变化速度就会增大，相应的VL也会变大，给应用带来很多问题。在我接触过的应用中，以大功率LED作为光源的投影机在这方面表现尤为特别，其负载电流通常在6A以上，有很多是十多个安培的，特别的就有30A了，立锜科技的RT8452在此应用中表现良好，为很多用户解决了问题，但相应的PCB设计也是非常苛刻的，需要非常小心地处理。另外一种应用是大功率的Boost应用，RT8480在这类应用中常常被用到，由于输入电压较低，输出电压很高，负载电流又很大，开关电流自然很大，这就会对PCB设计提出很高的要求。有的工程师对这里提到的非常基础的东西不太关心，他们会把这种高要求当作是IC本身的要求，其实是认错了方向。

为了降低VL对电路的影响，我们可以从两个方面入手来进行改善。一是减小dI/dt，通过把开关的速度降下来就可以做到，但其不足之处是会造成效率的降低，因为开关切换过程的延长会造成其缓慢经过线性区，发热是很难避免的事情；二是降低L，这会直接带来VL下降的结果，只有好处，没有坏处，成本不会提高，效益却是大的不得了。

降低L的办法前面已经提到了，让铜箔路径变短变粗变宽就可以实现一大半，然后我们还要想办法缩小回路的面积，这甚至可能成为消除问题的法宝，因为它解决的问题不是单一的。

一个回路是这样形成的：

从源头流出的电流经过支路a流向负载，再经支路b流回源头。电流在支路a上会形成环绕支路a本身的磁力线，同时也会有一部分磁力线环绕支路b；流过支路b的电流也会形成环绕支路b本身的磁力线，同时也有一部分磁力线会环绕支路a。只要支路a、b的长度不是太长，流过支路a、b的电流就总是相等的，它们形成的磁力线的匝数也应该是相等的，但是它们形成的磁力线的方向却不同，这样的磁力线碰在一起以后会相互抵消，抵消以后就和不存在是一样的了，也就是说它们的电感作用会消失，这样就可以将VL消灭掉。

支路a和支路b之间的这种作用叫做耦合。耦合是有程度上的差异的，这表达为耦合系数，其值在0到1之间。如果支路a中的电流所生成的磁力线在绕过支路a本身的同时也完全绕过支路b，则它们之间的耦合系数为1，如果完全没有，则耦合系数为0，如果只是一部分，则耦合系数就在0和1之间了。很显然，我们很难让耦合系数成为完整的1，但我们可以在设计中让它尽可能地接近1，这就要让支路a和b之间形成的回路面积最小化才能做到。

在一个支路（导体）中的电流形成的磁力线在环绕另外一个支路（导体）的时候就形成了两者之间的互感，由于在这里的相互环绕的磁力线是相互抵消的，由此形成的互感对自感也就是抵消的作用，它们导致的感生电压也是相互抵消的。这段话并没有表达新的东西，不过是把上面的内容用另外的概念表达一次罢了，因为磁场或磁力线是实际存在的东西，电感或互感却只是一个概念而已，他们在现实中并不存在。

假如支路b为地回路，由其电感导致的感生电压可以被称为地弹电压，此电压在上述的互感的作用下会变小，用公式来表达是这样的：

其中，Vgb表示地弹电压，Ltotal表示返回支路b的净电感，Lb为返回支路b的局部电感（自感），Lab表示返回支路b和初始支路a之间的局部互感，I自然是流过这两个支路的电流了。

很显然，我们在设计的时候需要同时按照路径短而粗和形成紧密耦合的原则来做，这样才能形成最好的效果。

在Buck转换器的设计中，电感的选择是非常重要的，除了要考虑电流纹波以外，有时候还需要考虑斜率补偿的问题，这与相应的Buck转换器的设计有关。RT6204作为一款应用灵活性非常大的器件可以在5.2V至60V的输入下工作，可以输出0.8V-50V的电压，负载能力高达0.5A，可以承受最高80V的冲击电压袭击而不损坏，它的电感器的选择就面临这里提到的两个要求。