一文讀懂開關電源如何配合適的電感

三、電感參數選取

http://www.eepw.com.cn/article/201807/383396.htm

除了上面講的感值和容差(Tolerance)外，電感還有以下重要參數:自激頻率

(Self-resonant frequency，f(o))，R(DC)，飽和電流(Saturation current，I(sat))和均方根電流(RMS current，I(RMS))。盡管參數很多，但準則只有一條:盡量保證f(sw)下電感的阻抗最小，讓實際電路和理想模型吻合，降低電感的功耗和熱量，提高電源的效率。

3.1 自激頻率f(o)

理想模式的電感，其阻抗與頻率呈線性關係，會隨頻率升高而增大。實際電感模型如圖3-1-1所示，由電感L串聯R(DCR)和寄生電容C並聯而成，存在自激頻率f(o)。頻率小於f(o)時呈感性，大於f(o)時呈容性，在f(o)處阻抗最大。

經驗值:電感的自激頻率f(o)最好選擇大於10倍開關頻率f(sw)。

3.2 直流電阻R(DCR)

電感的直流電阻R(DCR)自身會消耗一部分功率，使開關電源的效率下降，更要命的是這種消耗會通過電感升溫的方式進行，這樣又會降低電感的感值，增大紋波電流和紋波電壓，所以對開關電源來講，應根據晶片數據手冊提供的DCR典型值或最大值的基礎上，盡可能選擇DCR小的電感。

3.3 飽和電流I(SAT)和均方根電流I(RMS)(電感燒毀問題)

電感的飽和電流I(SAT)指其感值下降了標稱值的10%~30%所能通過的最大電流。如圖3-3-2所示，4.7uH電感下降為3.3uH時的電流約為900mA，因此其I(SAT)(30%)是900mA。

電感的均方根電流I(RMS)指電感溫度由室溫25℃上升至65℃時能通過的均方根電流。

I(SAT)和I(RMS)的大小取決於電感磁飽和與溫度上升至65℃的先後順序。

當標稱輸出電流大於I(SAT)時，電感飽和，感值下降，紋波電流、紋波電壓增大，效率降低。因此，電感的I(SAT)和I(RMS)中的最小值應高於開關電源額定輸出電流的1.3以上。

四、電感類型選取

在明確了最小電感值的計算和電感參數的選取後，有必要對市面上一些流行的電感類型

做比較分析，下面會圍繞:大電感和小電感、繞線電感和疊層電感、磁屏蔽電感和非屏蔽電感進行對比說明。

4.1 同尺寸下的大電感和小電感

這里”同尺寸”指電感的物理形狀大致相同，”大小”指標稱容量不同。一般小容量的電感具有如下優勢:

較低的DCR，因此在重載時會有更高的效率和較少的發熱;

更大的飽和電流;

更快的負載瞬態響應速度;

而大容量的電感具有較低的紋波電流和紋波電壓，較低的AC和傳導損失，在輕載時有較高的效率。圖4-1-1所示是Taiyo Yuden三種 2518封裝不同容量大小的電感負載電流跟效率的關係曲線。

4.2 繞線電感和疊層電感

相比於繞線電感，疊層電感具有如下優勢:

較小的物理尺寸，占用較少的PCB面積和高度空間;

較低的DCR，在重載時有更高的效率;

較低的AC損失，在輕載時有更高的效率;

但是，疊層電感的SATI也較小，因此其在重載時會有較大的紋波電流，導致輸出的紋波電壓也相應增大。圖4-2-1所示是Taiyo Yuden的兩種繞線電感與三星的兩種疊層電感負載電流和效率的關係曲線。

4.3 磁屏蔽電感和非屏蔽電感

非屏蔽電感會有較低的價格和較小的尺寸，但也會產生EMI。磁屏蔽電感會有效屏蔽掉EMI，因此更適合無線設備這樣EMI敏感的應用，此外它還具有較低的DCR。

五、電感選取總結

根據前面幾節內容的介紹，我們可以按照以下步驟選擇適合的電感:

(1) 計算L(min)和推薦電感參數:f(o)、R(DC)、I(SAT)、I(RMS);

(2) 在保證(1)的前提下，依據物理尺寸要求和性價比，折中選擇:大電感還是小電感，疊層電感還是繞線電感，磁屏蔽電感還是非屏蔽電感。

六、開關電源布局

以Buck電路為例，不管開關管是由閉合-打開還是打開-閉合，電流發生瞬變的部分都如圖(c)所示，它們是會產生非常豐富的諧波分量的上升沿或下降沿。通俗的講，這些會產生瞬變的電流跡線(trace)就是所謂的”交流”(AC current)，其餘部分是”直流”(DC current)。當然這里交直流的區別不是傳統教科書上的定義，而是指開關管的PWM頻率只是”交流”FFT變換里的一個分量，而在”直流”里這樣的諧波分量很低，可忽略不記。所以儲能電感屬於”直流”也就不奇怪，畢竟電感具有阻止電流發生瞬變的特性。因此，在開關電源布局時，”交流”跡線是最重要和最需要仔細考慮的地方。這也是需要牢記的唯一基本定律(only basic rule)，並適用於其它法則和拓撲。下圖表示了Boost電路電流瞬變跡線，注意它和Buck電路的區別。

1inch長，50mm寬，1.4mil厚(1盎司)的銅導線在室溫下的電阻為2.5mΩ，若流過電流為1A，則產生的壓降是2.5mV，不會對絕大部分IC產生不利影響。然而，這樣1inch長的導線的寄生電感為20nH，由V=L*dI/dt可知，若電流變化快速，可能產生很大的壓降。典型的Buck電源在開關管由開-關時產生的瞬變電流是輸出電流的1.2倍，由關-開是產生的瞬變電流是輸出電流的0.8倍。FET型開關管的轉換時間是30ns，Bipolar型的是75ns，所以開關電源”交流”部分1inch的導線，流過1A瞬變電流時，就會產生0.7V的壓降。0.7V相比於2.5mV，增大了近300倍，所以高速開關部分的布局就顯得尤為重要。

盡可能地把所有外圍器件都緊密地放在轉換器的旁邊，減少走線的長度會是最理想的布局方式，但限於極其有限的布局空間，實際往往做不到，因此有必要根據瞬變壓降的嚴重程度按優先級順序進行。對Buck電路，輸入旁路電容須盡可能靠近IC放置，接下來是輸入電容，最後是二極管，採用短而粗的跡線將其一端與SW相連，另一端與地相連。而對Boost電路布局來說，則是按輸出旁路電容，輸出電容和二極管的優先級順序進行布局。