BUCK電路電感選擇和計算參考模板

1、 如今，隨著傳輸數(shù)據(jù)流的需要，電子產(chǎn)品的耗電量與日俱增，開關(guān)電源的頻率也越來越高，并且對整個電壓模塊的速度和尺寸要求也越來越嚴(yán)格。電感已經(jīng)成為所有電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本組件，在工業(yè)，自動化和DC-DC 轉(zhuǎn)換器上廣泛使用。特別是滿足從0 到60A 電流大小的范圍內(nèi)對電感提出了更高的要求。 電感在電子三組件電感、電容與電阻之中，乃居于產(chǎn)品設(shè)計轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵地位，電感類組件，必須經(jīng)過一一的設(shè)計與測試才能決定。考慮到目前電感器繁多的規(guī)格和種類，在下一代電子產(chǎn)品設(shè)計中為電源轉(zhuǎn)換電路選擇一個好的電感并不簡單，設(shè)計者必須在了解電感理論的基礎(chǔ)上，再根據(jù)結(jié)構(gòu)，額定電流，磁芯材料，磁芯損耗，溫度和飽和電流綜合評價，選擇最

2、佳電感參數(shù)。另外值得慶幸的是，許多電感供貨商都提供尺寸和性能優(yōu)秀的產(chǎn)品，甚至還可以修改產(chǎn)品參數(shù)以滿足用戶需求的服務(wù)。 電感簡介 電感、電阻和電容合稱為三大被動組件，其電器特性雖然各有不同，但卻都是3C產(chǎn)品中不可或缺的關(guān)鍵組件。電感的主要功能為穩(wěn)定電流與去除噪聲，另可搭配電阻與電容展現(xiàn)多種功能，故在機(jī)器、設(shè)備、消費(fèi)性電子、電力配輸與抑制電磁輻射方面被廣泛運(yùn)用。對電感的需求亦因而與日俱增。 電感的上游主要是以鎳鋅與錳鋅鐵氧體磁芯兩大系列為主，因材料特性之不同，分別應(yīng)用于信息和通訊產(chǎn)品上。鐵氧體磁芯（Ferrite Core）是以高溫?zé)傻慕饘傺趸铮饕鳛楦哳l線圈及變壓器等產(chǎn)品之磁芯。 電感的發(fā)

3、展趨勢主要是因應(yīng)系統(tǒng)產(chǎn)品的發(fā)展而變化。在計算機(jī)及其周邊信息產(chǎn)品方面，由于對空間需求的迫切性不高，電感的發(fā)展以朝向產(chǎn)品體積小型化與發(fā)展排列式芯片電感為主。在通訊產(chǎn)品方面，由于該類產(chǎn)品對空間需求迫切度高，因此電感器除了朝向小型化發(fā)展外，亦需進(jìn)一步開發(fā)整合型組件以因應(yīng)產(chǎn)品的需求；此外，為因應(yīng)產(chǎn)品高頻化的發(fā)展，電感亦需提高其使用頻率，而朝向陶瓷等高頻材料及組件開發(fā)。整體而言，未來電感器將朝向小型化、高頻化及整合化發(fā)展。 電感參數(shù) 當(dāng)導(dǎo)線內(nèi)通過交流電流時，在導(dǎo)線的內(nèi)部及其周圍產(chǎn)生交變磁通，導(dǎo)線的磁通量與生產(chǎn)此磁通的電流之比。當(dāng)電感中通過直流電流時，其周圍只呈現(xiàn)固定的磁力線，不隨時間而變化；可是當(dāng)在線圈中

4、通過交流電流時，其周圍將呈現(xiàn)出隨時間而變化的磁力線。根據(jù)法拉弟電磁感應(yīng)定律（Faraday's law ）磁生電來分析，電感則1 / 6是電流通過線圈產(chǎn)生的磁通量（Flux ）儲存在鐵心中蓄積能量（=LI），當(dāng)通過線圈的電流愈大時磁通量也相對愈大，即代表儲存的能量增加。產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為： 如圖1 中，開關(guān)導(dǎo)通時間段，電感L 內(nèi)的電流逐漸增加，當(dāng)導(dǎo)通結(jié)束后，進(jìn)入截止時間段，這時候由于L內(nèi)的電流達(dá)到最大值，電感中的電流不能突變，所以，繼續(xù)有電流流過，當(dāng)截止時間結(jié)束后，電感中的電流達(dá)到最小值，重新開始新的周期。電感就是透過這種在交換周期中的導(dǎo)通時間，將能量儲存在磁場內(nèi)，并在斷開時，將所儲存

5、的能量提供給負(fù)載來工作。 圖1. 電感在DC-DC Buck電路中的應(yīng)用，工作在連續(xù)電流模式下。電感兩端的電壓可以突變但電流不會突變。 由于電感中變化磁場會對周邊產(chǎn)生電磁輻射，對周邊敏感組件產(chǎn)生干擾，因此屏蔽是首先需要考慮的，從圖4 可以看出屏蔽與非屏蔽電感的區(qū)別，他們各有優(yōu)劣。屏蔽的電感最主要就對外輻射少，但是尺寸比較大，線圈的損耗大，價格也貴。非屏蔽的電感則可以做的很小，電流也可以做的很大，價格也便宜。如果設(shè)計中問題輻射是關(guān)鍵因子，屏蔽電感還是首選。另外一個是環(huán)形電感越來越受歡迎了，環(huán)形有利于電磁屏蔽，并且這種空氣的間隙分布也有利提高對電流的處理。 圖4. 屏蔽與非屏蔽電感的比較 圖5.

6、自屏蔽的環(huán)形電感 當(dāng)電流流經(jīng)時，電感的溫度會上升，交流紋波（AC ripple ）會導(dǎo)致磁芯損耗，而直流電流會導(dǎo)致感應(yīng)系數(shù)下降。穩(wěn)態(tài)狀況下直流電流Irms引起電感溫度上升20-40 攝氏度，這也是電感功耗的主要參考。另外，也有將Irms歸類成輸出電流或開關(guān)模塊的平均電流。功耗有兩部分組成，已是由Irms部分計算的直流損耗P=I 2R和AC紋波電流引起的磁芯損耗。 磁芯損耗涉及到磁芯材料的選擇和磁芯截面甚至紋波電流，開關(guān)頻率和結(jié)合電路部分的感應(yīng)系數(shù)。磁芯損耗的計算在開關(guān)開閉期間是不一樣的，但是根據(jù)經(jīng)驗，可以估算出相對準(zhǔn)確的數(shù)值。 圖2. 電壓通過電感時由于感應(yīng)電動勢的存在導(dǎo)致電壓與電流相位相反。

7、 由于鐵氧體材料擁有高導(dǎo)磁率，因此相當(dāng)容易讓磁通量通過，這將可協(xié)助將磁通量維持在電感器的磁芯，同時創(chuàng)造較小尺寸高磁性電感器的可能性。這亦可由上述的電感方程式分析出，采用相關(guān)磁芯物質(zhì)，就可以使用較小的截面積。 另外，設(shè)計者必須意識到電感的工作溫度和環(huán)境溫度的差別，這其中有個電感自身升溫的差別。比如說電感工作狀態(tài)的溫度設(shè)定在-40 到125 攝氏度之間，電感工作時自身溫度可以升高40 攝氏度，那么工作環(huán)境的溫度就只能設(shè)置在-40 到85攝氏度之間。并且溫度是由電感能耗和表面積決定的。 圖3. 電感中電流隨時間變化的關(guān)系 電感選擇示例 基于電感的屬性，在圖的電路是buck轉(zhuǎn)換電路為例說明濾波電感的設(shè)

8、計方法。這是常用的降壓調(diào)節(jié)電路，以提供穩(wěn)定和高效的輸出電壓。在變換電路中，設(shè)有LC濾波電路，濾波電感中的電流含有一個直流成分和一個周期性變化的脈動成分。電感L 的作用是濾除占波開關(guān)輸出電流中的脈動成分，以減小紋波，也可以看成是續(xù)流用的，當(dāng)開關(guān)斷開的時候，電感、負(fù)載、續(xù)流二極管就組成了回路。從濾波效果方面考慮，電感量越大，效果越明顯。但是，如果電感量過大，會使濾波器的電磁時間常數(shù)變得很大，使得輸出電壓對占空比變化的響應(yīng)速度變慢，從而影響整個系統(tǒng)的快速性。一味地追求減小輸出電壓的紋波成分是不可取的。所以在設(shè)計電感參數(shù)時應(yīng)從減小紋波和保持一定的快速性兩個方面去考慮。 圖7.DC-DC Buck電路

9、此電路要求的相關(guān)參數(shù)如下：Vin=8-12V ；Vo=5V；Io=0. 5-2A ；fswitch=250kHz。電路工作在連續(xù)電流模式（CCM ）下，即在各個工作狀態(tài)下，電感中電流大于0A。現(xiàn)在根據(jù)以上參數(shù)，可以算出所需電感的參數(shù)： 圖6. Irms值的參考是在交流紋波比較小和磁芯損耗忽略的狀況下 磁芯材料 鐵芯損耗205KHz,100G 成本 Ferrite （gapped） 1 低 Iron （75u ） 80 低 Sendust（60u ） 35 中 MPP （60u ） 8 高 Ferrite=Mn -Zi Sendust=Fe-Al-Si MPP=Me-Ni-Fe 磁芯材料和相應(yīng)的

10、參數(shù) 1. 計算電路中開關(guān)的周期：=1/f=1/250 kHz=4s 2. 計算電路中開關(guān)的占空比：min=Vo/Vin（max ）=5V/ 12V=0.4 3. 計算開關(guān)導(dǎo)通時間Ton ：Ton=xmin=4 s×0.4=1.6 s 4. 計算電感的紋波電流dI ，一般不超過最大輸出電流的30%： dI=Io×0.3=2A×0.3=0.6A 5. 計算電感兩端的電壓V ：V=Vin （max ）-Vout- Vdiode=12V-5V-1V=6V 6. 計算最小的感應(yīng)系數(shù)，由V=LdI/dt得出：LminVdt/ dI=6V×1.6s/0.6 A=16

11、 H 7. 計算考慮誤差的感應(yīng)系數(shù)，考慮到與標(biāo)準(zhǔn)之間20%的偏差和在額定電流下會有10-35 降幅：L=16H/（0.8×0.65）=31 H , 再考慮到工作在連續(xù)電流模式下，因此感應(yīng)系數(shù)調(diào)高到33H。 8. 計算峰值電流Ipeak ：Ipeak=Io（max ）+dI/2=2A+0.6A/2=2.3A 電感的結(jié)構(gòu)包括磁芯的尺寸、材料、繞組的匝數(shù)、導(dǎo)線的直徑等內(nèi)容。電感量越大說明相應(yīng)的匝數(shù)也會增多，磁芯的體積就要大一些；電流越大，說明采用的導(dǎo)線就越粗，也要求磁芯的體積增大。采用高導(dǎo)磁率的材料，同樣的 H 情況可以得到更大的B，磁芯的尺寸就會減小。要測量磁芯耗損通常相當(dāng)困難，因為其包

12、含相當(dāng)復(fù)雜用來測量磁通密度的測試設(shè)置安排、以及對遲滯回路的估算。迄今許多電感器制造商并沒有提供這方面的數(shù)據(jù)，不過卻有部分可以用來估算出電感器磁芯耗損的一些特性曲線，這可以由鐵氧體材料制造商、峰對峰磁通密度與頻率的函數(shù)得出。如果知道電感器磁芯所采用的特定鐵氧體材料以及體積大小，那么就可以利用這些曲線有效地估算出磁芯耗損。 此例中，如果選擇線圈 N=20 匝，直流阻值 0.06ohm ，磁芯橫截面積=0.071cm2，體積 0.2cm3 和磁芯損耗為150mW/cm3 材料的電感，則： 磁通量B=（dI× L）/（2×N× A ）=（0.6A×33 H）/（

13、2×20×0.071cm2）=700 Gauss； 磁芯損耗P=150mW/cm3×0.2cm 3=30mW ； DC損耗P=I2R=（2A）2 ×0.06 ohm=240mW 。 現(xiàn)在關(guān)于電感的所有參數(shù)都計算出來了，接下來就需要根據(jù)參數(shù)挑選合適的電感。根據(jù)電感目錄對照可以很方便找出合適的電感。以下也給出了一些Tips ： 1. 電感電流要依據(jù)設(shè)計中最大輸出電流來選擇 2. 感應(yīng)系數(shù)的值必須達(dá)到理論的計算 3. 選擇理想的DC阻抗，因為阻抗越小，DC損耗就越小 4. 選擇合適的電感結(jié)構(gòu)和磁芯類別 總結(jié) 在目前以消費(fèi)驅(qū)動的市場中，可以預(yù)計的是攜帶型電子產(chǎn)品的尺寸將會繼續(xù)縮小，