如何选择同步整流型降压转换器的电感器（下）

本系列文章将以转换器 IC 评估板的参考电路为主题，说明选择各种分立元件时的重要特性。在讲解过程中，通过使用 LTspice 改变元器件或元器件本身的常数，并使用仿真波形和计算值检查电路的变化，解释特性与电路之间的关系。在上篇《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法》中，我们介绍了如何选择同步整流器型降压转换器电路所需的输入/输出电容器，同时通过仿真确认电容器特性的影响。

在《如何在同步整流变换电路中选择电感器 (上)》中，我们介绍了电感器在电源电路中的作用和电感值：L。本文将对“额定电流 Isat、Itemp”；“直流电阻 Rdc”；“自谐振频率 SRF”和“电感器的种类”进行说明。

额定电流：Isat、Itemp

电感器额定电流主要有两种类型：一个是由电感值 L 的降低 (以下简称 L 值) 决定的额定电流，另一个是由温升决定的额定电流。通常，前者称为“直流叠加额定电流 (以下简称 Isat)”，后者称为“温升额定电流 (以下简称 Itemp)”。

Isat

随着流过电感器的电流增加，L 值会因磁饱和而降低。L 值下降到一定程度时的电流值被定义为额定电流。Isat 是指 L 值下降到 20%~30% 的电流值 (具体数字因电感器的制造商和类型而异，因此请查看每个电感器的数据手册)。Isat 必须大于或等于最大电流 (电感峰值电流：ILpeak)。最大电流 ILpeak 是负载电流 (Iout) 加上纹波电流 (ΔIL) 的 1/2。ILpeak 可以通过以下公式计算：

纹波电流 (ΔIL) 由以下公式给出：

当额定电流没有裕量时，负载电流的增加会导致以下一连串反应：

电流增加 → 磁饱和 → L 值减小 → 峰值电流进一步增加

在这种情况下，电源 IC 的过电流保护功能 (*) 将被激活，从而导致输出电压 Vout 降低等问题。

注意

在高温下，饱和从低电流值开始。

如果在 Isat 之外使用，则不会损坏电感器，但纹波电流 (ΔIL) 会因 L 值的降低而增加。因此电源 IC 的运行可能会变得不稳定，或者可能会超过电感器以外的元件的额定电流。

(*) 过电流保护功能是由于输出短路等事故导致输出电流异常大时，停止电源 IC 的输出的功能。检测过电流和停止输出的方法因产品而异，但电源 IC 的过电流保护功能称为频率折返型，这是一种通过降低振荡频率和降低 ON 占空比来限制输出电流的方法。

Itemp

当电流流过电感器时，绕组的电阻会产生热量。基于自身温度上升的额定电流值指定为 Itemp。如果产品使用超过此规定值，可能会导致部件故障或损坏。

Itemp 指定为温升为 ⊿40°C 的电流值 (具体数字因电感器的制造商和类型而异，因此请查看每个电感器的数据手册)，因此应根据 Itemp 的值大于或等于 Iout 来选择。

仿真

下图 (图1) 为 L 值和电流的磁饱和特性关系图。在仿真中，我们将电感器 L1 与额定电流较高的 3.7A 产品 (HFL4020-222) 和负载电流为 2.5A 的较小的 1.05A 产品 (EPL2010-222) 进行了比较。仿真电路如下图 (图2) 所示。在这里，我们不使用普通的电感器模型 (静态模型)，而是使用饱和模型 (Saturation model)，它可以通过仿真来确认饱和状态，并在超过额定电流时检查电感器电流的状态。

图1 磁饱和特性 (L 值 vs 电流)

 

图2 电感器额定电流影响的仿真电路

具有足够额定电流裕量的电感器的仿真结果

即使负载电流为 2.5A，电感也不会饱和，电感电流和输出电压保持稳定。

图3 足够额定电流裕量的电感器的仿真结果

额定电流裕量不足的电感器的仿真结果

当负载电流设置为 2.5A 时，发生磁饱和，电感值减小，导致电流进一步增加。此时电源 IC 的过流保护功能被激活，输出电压降低。

图4 额定电流裕量不足的电感器的仿真结果

要点

电感器的额定电流有两种类型：直流叠加额定电流 (Isat) 和温升额定电流 (Itemp)。

Isat 是 L 值降低 20%~30% 的电流值。

Isat 选择等于或大于最大电流 (电感峰值电流) 的参数。

在高温下，饱和从低电流值开始。

Itemp 是温度上升到 ⊿40°C 时的电流值。

Itemp 值应选择大于或等于负载电流 Iout。

当额定电流没有裕量，负载电流增加时，电源 IC 的过电流保护功能被激活，并出现输出电压降低等问题。

直流电阻：Rdc

理想情况下，电感器除了电感外没有其他元件，并且没有能量损失。然而实际的电感器除了电感之外，还有一个电阻成分 (直流电阻 Rdc)。

直流电阻器 Rdc (以下简称 Rdc) 越小，可减少因发热引起的功率损失。如果 Rdc 很大，功率损耗会很大，效率会降低。此外发热可能会对外围元件产生不利影响。另一方面，在降低 Rdc 和减小 DC 叠加特性和尺寸之间存在权衡关系。因此，我们从满足 L 值和额定电流等所需特性的电感器中，尽可能选择 Rdc 最低的电感器。

在仿真中，更改电感的 Rdc 并在 Efficiency Report 中检查 Efficiency 状态。仿真电路如下图 (图5) 所示。将电感 L1 的串联电阻 [Ω] 的效率与默认值 20mΩ 和 100mΩ 进行比较。

图 5 Rdc 仿真电路

仿真结果如下图 (图6) 所示：

图6 Rdc 仿真结果

以 Efficiency Report 中的 L1 功率值为例，20mΩ 的 Rdc 为 81mW，100mΩ 的 Rdc 为 407mW。显然，当 Rdc 为 100mΩ 时，它会更大，这意味着当 Rdc 为 100mΩ 时，功率损耗更高。

要点

Rdc 越小，由于发热造成的功率损失就越小。

在减少 Rdc 、直流叠加特性和尺寸之间需要权衡。

从满足 L 值和额定电流等所需特性的电感器中，选择 Rdc 较小的电感器。

自谐振频率：SRF

理想电感器的阻抗与频率成正比地增加，但实际电感器具有电容 (杂散电容)，因此会发生自谐振现象，并且在高于谐振频率的频率下，阻抗会降低。通常使用三种等效型号的电感器，如下图 (图7) 所示。一种是电感器和电容并联，并连接一个串联电阻，另一种是电容并联到电感和串联电阻，然后连接并联电阻，它们都表现出几乎相同的特征。

图7 三种等效型号的电感器

并联的电容和电感器在一定频率下会产生自谐振现象，频率响应的图像如下图 (图8) 所示：

图8 频率响应图像

在低于自谐振频率时，它表现出电感特性 (阻抗随着频率的增加而增加)，高于自谐振频率时，它表现出电容特性 (阻抗随着频率的增加而降低)，在更高的频率下，它的阻抗减小，不再具有真正电感器的功能。频率越高，阻抗越小，电感器就不再具有电感器的功能。

因此在为高频电路或高频模块选择电感器时，不仅要考虑所需的电感值，还要考虑相对于工作频率的自谐振频率。由于电感器在高于自谐振频率时将不起作用，应选择自谐振频率高于电源 IC 开关频率的电感器。自谐振频率由以下公式获得，它随着 L 值的减小而增加。

要点

在实际的电感器中，由于杂散电容而会出现自谐振现象。

电感器在自谐振频率以下表现出电感特性，而当频率超过自谐振频率时则表现出电容特性。

当频率高于自谐振频率时，电感器不起电感器的作用，因此应选择自谐振频率高于功率集成电路开关频率的电感器。

随着 L 值的降低，自谐振频率增加。

电感器的种类

电源系统电感器根据其特性进行分类，并根据产生的磁通量进行分类。

按磁性材料分类

电感器的磁性 (磁芯) 材料有两种类型：铁氧体和金属复合材料。到目前为止，铁氧体一直很受欢迎，但近年来，使用金属磁性材料的金属复合类型电感器备受关注。与铁氧体型相比，金属复合型具有优异的磁饱和特性和热稳定性。相反，铁氧体型具有优异的直流电阻。下表 (表1) 为二者的性能比较：

表1 磁性材料按材料分类

按磁通量分类

电源电感器有两种类型：开路型和闭路 (屏蔽) 型。当电流通过磁性材料的环形磁芯 (环形磁芯) 时，磁通量在磁芯内部回流，这样的磁路称为闭合磁路。当使用条形或鼓形磁芯时，磁通量从磁芯内部流出，成为漏磁通量，并形成一个返回磁芯的回路，这称为开磁路。如果漏磁通与其他线圈或布线模式磁耦合，则会产生噪声。因此，开磁路类型的辐射噪声更大，但即使是封闭的磁路类型，也有一些产品存在间隙并导致漏磁。

由于磁结构的不同，封闭和开放磁路之间的饱和特性存在差异，因此直流叠加特性也存在差异。在闭合磁路的情况下，L 值随着直流叠加电流的增加而逐渐减小。另一方面，在开路磁路的情况下，随着直流叠加电流的增加，L 值在达到预定电流值之前相对平缓，但 L 值在预定电流值之后往往会急剧下降。但是根据所用磁性材料的特性，曲线的趋势会发生变化。

图9 开路和闭路磁路的饱和特性

下表 (表2) 为磁通状态下的分类对比：

表2 磁通状态下的分类

总结

本文主要介绍“额定电流 Isat、Itemp”；“直流电阻 Rdc”；“自谐振频率 SRF”和“电感器的种类”。