功率电感权衡，如何有效提高DCDC转换器性能

电子发烧友网报道（文/李宁远）任何电感器在通电后，都会有一定的功率，如果电感器的电流远小于导体的允许电流，一般不称其为功率电感器。所谓功率电感一般是指电流较大的电感。
 
功率电感一直是左右DCDC转换器性能的核心元件，电子设备向更高性能演进的同时，DCDC链路相应地对电池电压调整水平也需要有所提升。此时就需要功率电感为DCDC转换器提供关键的调节能力。
 
DCDC转换器中的功率电感应用
 
电子设备升级的过程中，功率电感器是决定设备内DCDC转换器性能的关键元件，帮助DCDC通过积累和释放能量来维持连续电流，可以为不同电压等级的电源系统提供大电流和大电感。接通直流电时，电流能自由通过功率电感器，而接通交流电AC时，电感器将发挥电阻的作用。
 
当搭配执行高速开关的IC使用时，功率电感器亦可促使DCDC转换器将电压转换到所需水平。开关器件导通时，功率电感器会存储能量，开关器件断开时则会释放能量并流过电流，通过改变PWM占空比，可以将电压降低至目标水平。
 
由于是PWM调制的结果，所以DCDC类电源具有一定的波纹，PWM的频率和电感的取值都会对纹波造成影响。不论是BOOST升压电路和BUCK降压电路，这颗功率电感都是必不可少的。
 
这类功率电感的应用领域很广，从移动数码设备到通信设备，从工控设备到汽车电子设备，都需要功率电感来改善DCDC链路性能。目前和DCDC转换器相关的，最热门的应用无疑是储能和汽车两类。这两个应用都需要DC-DC转换器在更宽的温度范围里提供更稳定的功率，这就需要功率电感在不牺牲DCR和磁芯损耗性能的情况下，有更低的漏磁和更平滑的饱和特性。
 
具体来看，想要提高DCDC转换器效率，需要功率电感损耗更低；想要将减小DCDC转换器尺寸，需要功率电感采用新的积层技术、薄膜技术；想要提高电流能力，需要强化功率电感磁芯；想要提高输出稳定性，需要提高直流特性、温度特性；想要提高过渡响应特性，需要优化功率电感电感值和纹波电流；想要降低转换器噪音，需要降低功率电感漏磁。
 
DCDC转换器与功率电感性能权衡
 
上面将DCDC转换器性能的变化与相应功率电感需要做出的改变做了对应，但实际上设计功率电感往往比较困难。这些参数之间，存在着互相制约的复杂关系，其各种特性会随电流大小或温度等而发生变化。
 
基于这种复杂的相互制约关系，功率电感的选择需要从DC-DC转换器的效率、尺寸以及成本等综合角度出发。
 
如磁芯的选择，DCDC转换器性能提升后铁氧体磁芯电感器难以满足所有要求，但是它的高频特性很突出，金属磁性材料磁芯的饱和磁通密度优异，更适合大电流化。材料的选择对被动元件来说一直都起着决定性作用。
 
在DCDC转换器中，功率电感器的损耗绝大部分来自直流电阻引起的直流损耗。除了材料本身的阻值特性，直流电阻值也会随绕组的粗细及匝数的变化发生变化，并且发热的程度也会影响到最终的损耗，所以使用磁芯损失较少的磁芯材料也很重要。
 
上面提到，DCDC类电源具有一定的波纹，PWM的频率和电感的取值都会对纹波造成影响。电感大小与波纹电流大小之间也存在着制约关系。电感较小，纹波电流会增大，电感较大，又会对增加尺寸和成本，并影响过渡响应特性。一般设置电感值来使波纹电流变为额定电流的20%-30%。
 
小结
 
除了这些性能上的权衡，在工艺方面，越来越多的功率电感采用一体成型技术。国内市场已有近7成功率电感采用或即将采用一体成型技术进一步提高性能。高性能的DCDC转换器需要在高性能功率电感的选择上权衡各方面参数的影响，然后做出综合效率、尺寸以及成本的选择。