【導讀】為功率應用選擇合適的電感器看似很簡單。貌似知道標稱電感和飽和電流就足夠了。遺憾的是，該過程遠比想象得更加復雜。盡管制造商為量化這些指標付出了巨大的努力，但由于該等指標存在諸多變量和數(shù)據清晰性問題，導致它們常常無法完整地說明電感器特性。鑒于沒有任何一個設備能夠滿足所有的電路要求，因此，在選擇功率電感器時，工程師應確定最重要的性能因素，并優(yōu)先考慮那些有助于實現(xiàn)最佳電路運行的因素。本文力求揭開電感器特性的神秘面紗，并為選擇正確的功率電感器提供一般性指南。
No.1 電感
首先，您應該確定相關電路中的電感范圍。鑒于電感在器件的整個工作期間基本上都不是恒定的，因此，了解有效值的范圍至關重要。對于開關應用中的電感器，允許的紋波電流和瞬態(tài)響應目標將決定電感需求。通常是將紋波電流保持在負載輸出電流的 30% 或更低水平。如果是在濾波應用中使用電感器，則其阻抗必須足夠高，以衰減目標噪聲頻率。工程師可借助在線提供的設計工具和公式來計算合適的電感值。電感通常會因施加的直流電流、溫度或交流驅動電平而變化。為確保電感保持在目標范圍內，這些都是需要考慮的因素。
No.2 DCR
DCR，或稱為線圈電阻，其散熱和降低效率的方式與電流流經它們且在兩端產生壓降的所有電阻都相同。這是測定導線加熱損耗的關鍵。因此，條件允許的情況下應盡可能選擇較低的 DCR，以便最大程度地降低電感器的功率損耗。有時，在 DC/DC 應用中，DCR 被用作電流檢測路徑，因此容差變得很重要。
No.3 飽和
額定飽和電流值是指電感器的有效電感值從標稱值下降到一定的百分比之前，電感器可以支持的直流電流量。制造商公布的電感器飽和電流很容易引起誤解。不同的制造商會將下降百分比設置為 20% 或 30% 不等。產品簡介中通常會借助曲線圖來顯示電感值相對于直流電流的變化情況。該圖相當于制造商發(fā)布的數(shù)據而言更具說服力，因為它顯示了電感在較大負載電流范圍內發(fā)生的變化，而不是僅僅限于產品簡介中列出的單點。
功率電感器根據基本磁芯材料的不同分為兩種。鐵氧體電感器極為常見，其特點是具有硬飽和曲線。其高磁芯材料的導磁率在直流電流水平甚至工作溫度達到一定程度時，會引發(fā)急劇的電感下降。僅憑飽和電流額定值是無法預測這種行為的。一旦鐵氧體飽和，其電感就會驟降，由此產生的高紋波電流會對電路造成永久性損壞。鐵粉（通常稱為復合或模制）電感器也很常見，可能是一種更安全的選擇。鐵粉電感器在較為寬泛的直流偏置電流和溫度范圍內具有非常穩(wěn)定的電感及軟飽和特性，并且通常不可能完全飽和。
請參閱制造商公開發(fā)布的飽和度曲線，以確保由于飽和度和溫度引起的電感下降不會導致紋波電流超過電路極限。
No.4 額定溫升電流和效率
功率電感器供應商提供額定溫升電流，但與飽和電流一樣，該參數(shù)也可能產生誤導。該參數(shù)代表將電感器溫度提高供應商規(guī)定量（通常為 40°C）所需的直流電流。產品簡介中給出這一額定值的前提是采用特定的測試設置，允許通過端子從感應器中導出相對較高的熱量。因此，該額定值可能僅可用作預測電感器溫度升高的近似值。被動或主動冷卻方法、PCB 走線寬度、空氣流量以及與其他元件的接近度，都有可能導致電感器的實際溫度與額定熱電流所暗示的溫度大不相同。此外，對于高紋波振幅應用而言，鐵芯和繞組中產生的交流損耗也將導致溫度升高。實際上，如果電感器在特定的負載電流下異常升溫，設計人員可能需要驗證是否有足夠的熱量通過端子和芯體導出，或者電路工作沒有在電感器中造成過多的交流損耗。
較高的額定溫升電流對應于較高的效率和較低的工作溫度，這種假設在一般情況下是成立的，但并不總是正確的。雖然較大的電感器通常具有較低的直流損耗和較高的效率（以犧牲成本和電路板空間為代價），但其散熱性往往更差一些。對于具有相同尺寸和電感的兩個電感器而言，較平坦的電感器將具有更好的自然冷卻特性，使其能夠保持 5?C 至 10?C 的較低工作溫度，即使產熱稍多一些也不例外。與鐵氧體相比，模制電感器具有出色的冷卻特性，并且可以憑借出色的導熱性在電感器表面提供更有效的熱傳遞。雖然額定溫升電流可能是有用的數(shù)據，但卻缺乏可能對適當熱性能設計至關重要的交流損耗信息。
No.5 自諧振頻率和阻抗
由于不存在理想的電感器，因此，電感器等效電路模型是由交流電阻，電感，電容并聯(lián)以后和直流電阻串聯(lián)（圖 1）。在自諧振頻率（SRF）下，電感和寄生電容形成并聯(lián)諧振電路，此時，并聯(lián)交流電阻（R）成為主導元件。SRF 也是電感器的最高阻抗（Z）點。超過 SFR 頻率以后電容性原件主導元件，因此該元件不再像電感器一樣工作（圖 2）。對于濾波應用，只要阻抗充分由電阻控制，就可以使用超過 SRF 的電感器，以適當衰減目標頻率。然而，在儲能的 DC/DC 轉換器應用中，為了避免出現(xiàn)破壞性的電流尖峰和共振，電感器的工作頻率不應高于由于 SRF 而開始升高的電感頻率。
圖1：電感器等效電路模型
圖2：阻抗（Ω）頻率（MHz）IHLP4040DZER150M11 在其 SRF 之前和之后的阻抗行為
No.6 EMI
當今的電子電路具有越來越嚴格的電磁兼容性（EMC）和電磁干擾（EMI）要求。電纜、PCB 板走線以及其他無源或有源組件部件會將噪聲傳導或輻射到周圍環(huán)境中。電感器也不例外。如果屏蔽不當，電感線圈會發(fā)生磁耦合，在 PCB 走線和附近部件中產生傳導噪聲。線圈甚至可以充當弱天線，向遠處的電路和外部設備輻射 EMI。鐵氧體由于不連續(xù)氣隙處的邊緣磁通尤其嘈雜。相比之下，復合電感器提供更好的磁屏蔽，這不僅是因為分布式氣隙有助于最大限度地減少邊緣磁通量，而且還因為高磁導率的金屬顆粒將線圈完全包裹，對磁場起到了有效的抑制作用。
極為敏感的 EMI 應用可能需要采取額外的噪聲抑制措施。Vishay 的 IHLE®產品系列（圖 3）在標準 IHLP®產品上添加了 E-shield 技術金屬屏蔽層。當焊接到地面時，屏蔽層可將有害的電磁輻射和泄漏通量衰減高達 21dB。
No.7 專用電感器
市場上有很多針對不同類型磁性應用的創(chuàng)新解決方案。與使用多個分立電感器相比，這種封裝方式可以提供空間和成本節(jié)約優(yōu)勢并提高性能。例如，為了節(jié)省 PCB 空間， Vishay 的 IHLD 系列將兩個電感器封裝在一個產品中。這種設計特別適合 D 類音頻放大器。Vishay IHCL 還將兩個高度耦合的電感器封裝在一個產品中，用于 SEPIC DC/DC 轉換器和共模應用。圖 3示出了這些解決方案。
圖3：Vishay 獨特的功率電感器產品示例
從左到右依次為：
● IHLP® 標準高電流模制電感器
● IHLE® 采用 E-shield 技術來抑制 EMI 的標準 IHLP 電感器
● IHLD 用于 D 類音頻放大器的雙高電流電感器
● IHCL 用于 SEPIC 和共模電路的高度耦合的高電流電感器
總結
功率電感器是必不可少的儲能元件，可使濾波和開關電路正常工作。設計人員必須選擇能夠以可承受的價格在最小尺寸下提供最佳性能的電感器。這需要仔細考慮以下基本電感器特性：電感、DCR、飽和度、額定熱電流、阻抗、SRF、效率、熱特性、尺寸和噪聲發(fā)射等。
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