電子設(shè)備在變得高性能的同時，會通過降低其所使用的LSI電源電壓來實現(xiàn)低耗電量以及高速化。電源電壓下降時，電壓變動的要求值將會變得更為嚴(yán)格，為滿足此要求特性，高性能DC-DC轉(zhuǎn)換器的需求不斷增加，而功率電感器則是左右其性能的重要元件。

1.功率電感器是左右DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的重要元件

電感器（線圈）可使直流電流順利流過，而對于發(fā)生變化的電流，則會產(chǎn)生妨礙其變化的電動勢。這稱為自感應(yīng)，針對交流電流，其擁有頻率越高越難通過的性質(zhì)。為此，當(dāng)電流流過電感器時會將其儲存為能量，屏蔽電流時會釋放能量。功率電感器正是利用了此性質(zhì)，并且主要用于DC-DC轉(zhuǎn)換器等電源電路中。圖1為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器（二極管整流型）的基本電路，功率電感器是左右其性能的重要元件。

圖1　降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器（二極管整流型）的基本電路

2.功率電感器特性相關(guān)的參數(shù)相互間存在復(fù)雜的權(quán)衡關(guān)系，功率電感器的設(shè)計難度在于其特性會隨電流大小或溫度等而發(fā)生變化。例如，電感（L）擁有隨電流增大而降低的性質(zhì)（直流重疊特性），同時，隨著電流增大，溫度會隨之上升，由此磁芯導(dǎo)磁率(μ)及飽和磁通密度（Bs）會發(fā)生變化。即使電感值相同，直流電阻（Rdc）值也會隨繞組的粗細(xì)及匝數(shù)變化，并且發(fā)熱的程度也會有所不同。此外，磁屏蔽結(jié)構(gòu)的差異也會對噪音特性造成影響。此類參數(shù)相互之間存在復(fù)雜的權(quán)衡關(guān)系，從DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率、尺寸以及成本等綜合角度出發(fā)選擇最佳的功率電感器十分重要。

3.根據(jù)負(fù)荷大小或頻率不同損耗也會發(fā)生變化“因為溫度上升導(dǎo)致的主要損失為繞組引起的銅損以及磁芯材料引起的鐵損”繞組引起的損耗稱為銅損，磁芯材料引起的損耗稱為鐵損。銅損主要為繞組直流電阻（Rdc）引起的損耗（直流銅損），其與電流2次方成比例增大。同時，其擁有頻率越高，交流電流越會集中在導(dǎo)體表面附近流過，實際電阻值增加的性質(zhì)（趨膚效應(yīng)），在高頻范圍中還加上交流電流引起的銅損（交流銅損）。鐵損主要包括磁滯損耗與渦流損耗。渦流損耗與頻率的2次方成正比，因此在高頻率范圍內(nèi)渦流損耗引起的磁芯損失會增加。實現(xiàn)高效化的重點在于即使在高頻范圍內(nèi)也選擇使用磁芯損失較少的磁芯材料。

圖2　功率電感器損耗原因

4.功率電感器的損耗會因負(fù)荷大小而發(fā)生變化。中～重負(fù)荷時流過電感器的電流中直流偏置電流較大，因此主要為繞組的直流電阻（Rdc）引起的銅損。而在輕負(fù)荷時，由于幾乎不會流過直流偏置電流，因此銅損會下降，但在待機狀態(tài)下也會有一定頻率的開關(guān)工作，因此主要為磁芯材料的鐵損，從而效率會大幅下降（圖3）。

圖3　DC-DC轉(zhuǎn)換器負(fù)荷大小與功率電感器損耗的不同

5.非連續(xù)模式中的使用會對電源穩(wěn)定性造成影響

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器中，隨著開關(guān)器件的ON/OFF，會流過三角波相連的波形的波紋電流（ΔIL）（圖4）。中～重負(fù)荷時，直流偏置電流會與波紋電流重疊，因此電感器電流不會中斷。這稱為連續(xù)模式（Iout＞1/2ΔIL）。但二極管整流型的DC-DC轉(zhuǎn)換器在Iout＜1/2ΔIL的輕負(fù)荷中會產(chǎn)生電感器電流變?yōu)榱愕钠陂g。這稱為非連續(xù)模式，電感器電流會發(fā)生中斷，從而會對電源穩(wěn)定性造成影響。同時，變?yōu)榉沁B續(xù)模式時會發(fā)生嘯叫，或在因開關(guān)引起的脈沖狀電壓波形中產(chǎn)生振蕩，從而會產(chǎn)生噪音。

圖4　二極管整流型DC-DC轉(zhuǎn)換器的連續(xù)模式與非連續(xù)模式

6.設(shè)置電感值來使波紋電流變?yōu)轭~定電流的20～30%，波紋電流的大小與功率電感器的電感值有關(guān)。因此在二極管整流型DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計中，會通過限制波紋電流來避免因非連續(xù)模式導(dǎo)致的問題。功率電感器所需電感值L通過如下公式計算。

電感值L=(施加于電感器的電壓/波紋電流)×Ton

通過該公式可明確電感大小與波紋電流大小存在權(quán)衡關(guān)系。從尺寸與成本方面考慮而使用電感較小的功率電感器時，波紋電流會增大。相反，想要減小波紋電流時則需要較大的電感，其不僅會對尺寸及成本方面造成不利，同時在后述負(fù)荷急劇變化時的過渡響應(yīng)特性也會變差。因此在通常情況下，應(yīng)設(shè)置電感值來使波紋電流變?yōu)轭~定電流的20～30%(額定電流的10%左右時不連續(xù))（圖5）。

圖5　波紋電流與電感值的關(guān)系

7.通過合理降低電感值可改善負(fù)荷響應(yīng)特性，在負(fù)荷劇增等情況下，輸出電壓會下降，為進行恢復(fù)，功率電感器中會短時間流過過大的峰值電流，用以對負(fù)荷電流與輸出電容器進行充電。在波紋電流較小的設(shè)置下，可能會無法得到為了立即從輸出電壓大幅下降狀態(tài)下恢復(fù)所需的過渡響應(yīng)特性。因此需要采取降低電感值來增大波紋電流的方法。如圖6所示，若負(fù)荷響應(yīng)特性較差，則輸出電壓將會大幅降低，但通過合理降低電感值增大波紋電流，則電感器電流變化將會變大，電壓下降幅度將會減少，恢復(fù)將會更快。但降低電感值時，在綜合考慮平衡的情況下進行設(shè)置十分重要。

圖6　降低電感值時的過渡響應(yīng)特性改善效果

8.DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求特性與功率電感器，表1總結(jié)了DC-DC轉(zhuǎn)換器的要求特性及其相關(guān)的功率電感器特性，表2總結(jié)了TDK的主要功率電感器種類。詳細(xì)特性及規(guī)格請使用TDK產(chǎn)品中心的產(chǎn)品信息、選型指南以及特性值搜索等來查看。

9.現(xiàn)市場上電感的種類有那些