细说Buck的输出电感

我们在选择Buck变换器的输出电感时，需要重点考虑的电感的参数包括：等效直流电阻 DCR（影响效率），电感值（影响纹波电流）和额定电流。

1. 电感的DCR的选择

电感的的等效直流电阻R(DCR)自身会消耗一部分功率，使开关电源的效率下降，更要命的是这种消耗会通过电感升温的方式进行，这样又会降低电感的感值，增大纹波电流和纹波电压，所以对开关电源来讲，应根据芯片数据手册提供的DCR典型值或最大值的基础上，尽可能选择DCR小的电感。

当输入电压、负载电流、输出电压已经被给定的情况下，DCR越大，电感上的损耗越大，电源的效率越低。对于一般的电感器件来讲，有以下几个特点。

l 电感直流电阻对于效率的影响，重载时比轻载明显。

l 电感值给定的情况下，电感器件的外型越小DCR越大。

l 在电感外型大小给定的情况下，电感值越大DCR越大。

l  在电感值一定的情况下，有磁屏蔽的电感器件的DCR小于没有磁屏蔽的。

1.  电感感值的选择

计算出正确的电感值，对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要。

可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成，因为交流分量具有较高的频率，所以它会通过输出电容流入地，产生相应的输出纹波电压是纹波电流与电容上等效串联电阻的组织的乘积：ΔV=ΔI×ESR[m1] 。这个纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常操作，一般要求峰峰值为输出电压的2%~5%，或者某一个绝对值：10mV~500mV。

纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10%~30%，因此对于Buck电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%，所以在功率路径中需要按照输出电流Iout的115%评估电流的瞬态值。

在开关管开关的过程中，一个开关周期中，在输入输出电压确定的前提下，电感上电流的变化的幅度大小，是由电感的感值决定的，如图5.19所示。

图5.19 电感电流波形图

电感的欧姆定律应用：电流的变化量，是电感两端的压差除以电感值，在时间上的积分，计算所得：

在开关管开关的过程中，0-t1的时间段：

当开关关断时，同样用电感的欧姆定律，如图5.19所示， t2-t1中电流增量为：

由上面公式可知，电感的感值越大，输出纹波电流就越小。但带来问题是动态响应（response time）变慢。如果电感感值较小，如果想输出电压的纹波也小，就需要提高开关频率，这样MOS管上的开关损耗就增加，电路效率下降。

1.  电感额定电流的选择

功率电感器的额定电流有"基于自我温度上升的额定电流"和"基于电感值的变化率的额定电流"两种决定方法，分别具有重要的意义。"基于自我温度上升的额定电流"是以元件的发热量为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。

与此同时，"基于电感值的变化率的额定电流"是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致IC控制不稳定。 此外，根据电感器的磁路构造的不同，磁饱和的倾向（电感值的下降倾向）有所不同。如图5.20所示是不同磁路构造电感器的电感值随电流值的变化。对于开磁路类型，随着直流电流的增加，到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值，但是，超过饱和电流之后，电感值急剧下降。相反，闭磁路类型随着直流电流的增加，透磁率的数值逐渐减少，因此电感值缓慢下降。

功率电感规格书中对额定电流参数仅注明介质的饱和电流Isat值。

2）Isat与Irms的区别

Isat与Irms是我们工程人员常常会碰到的技术术语，但时常将两者混淆，造成工程技术上的错误。Isat与Irms两者分别表示什么，中文又是指什么? Isat与Irms两者如何定义，它们与哪些因素有关?我们在电感设计时，如何定义?

Irms：是指电感产品的应用额定电流，也称为温升电流，即产品应用时，表面达到一定温度时所对应的DC电流。

Isat：是指磁介质的饱和电流。磁饱和是磁性材料的一种物理特性，指的是导磁材料由于物理结构的限制，所通过的磁通量无法无限增大，从而保持在一定数量的状态。

假定有一个电感，通上一个单位电流的时候，产生的磁场感应强度是1，电流增加到2的时候，磁感应强度会增加到2.3，电流是5的时候，磁感应强度是7，但是电流到6的时候，磁感应强度还是7，如果进一步增加电流，磁感应强度都是7不再增加了，这时就说，电磁铁产生了磁饱和。电感作为一个绕在磁性上的线圈，其特性一定会收到磁饱和的限制：表现为电流增大到一等程度之后，电感值就会急剧下降，如图5.20所示。我们把电感值因为磁饱和而导致的电感值下降，下降到一定值，如标称值的20%时的电流，标记为：磁饱和电流Isat。

对于电感，即电感下降到一定比例后的电流大小，如SRI1207-4R7M产品，电感下跌20%的电流为8.4A，则Isat=8.4A。

审核编辑：汤梓红