選擇電感

為便攜式電源應(yīng)用選擇電感，需要考慮的最重要的三點(diǎn)是：尺寸大小、尺寸大小，第三還是尺寸大小。移動(dòng)電話的電路板面積十分緊俏珍貴，隨著MP3 播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話中時(shí)，尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此，以前一直由線性調(diào)節(jié)器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實(shí)現(xiàn)更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉(zhuǎn)換器。正如其名稱所暗示的，這時(shí)需要一個(gè)電感。

電感的主要規(guī)格除尺寸大小外，還有開關(guān)頻率下的電感值、線圈的直流阻抗(DCR)、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據(jù)應(yīng)用的不同，電感類型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。

類似于電容中的直流偏置，廠商A的2.2μH電感可能與廠商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內(nèi)電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線，必需向廠商索取。在這條曲線上可以查到額定飽和電流(I_SAT)。I_SAT一般定義為電感值降量為額定值的30%時(shí)的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒有規(guī)定I_SAT。他們可能之給出了溫度高于環(huán)境溫度40 ?C時(shí)的直流電流。

DCR引起傳導(dǎo)損耗，在輸出電流較高時(shí)影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加，在輸出電流較小時(shí)影響占主導(dǎo)地位的開關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下，低ESR電感的Q因子更高。在電感滿足所有其它規(guī)格時(shí)，為什么系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮ESR和Q因子呢？

當(dāng)開關(guān)頻率超過(guò)2MHz時(shí)，必需格外關(guān)注電感的交流損耗。規(guī)格說(shuō)明書中列出比較的不同廠商的電感的I_SAT和DCR在開關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗，導(dǎo)致輕負(fù)載下顯著的效率差異。這一點(diǎn)對(duì)提高便攜式電源系統(tǒng)中電池的壽命至為重要，因?yàn)橄到y(tǒng)大部分的時(shí)間是處于睡眠、待機(jī)或低功率模式下的。

由于電感生產(chǎn)廠商很少提供ESR和Q因子信息，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該主動(dòng)向他們索取。廠商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25 ?C，故應(yīng)該索取工作溫度范圍內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)。最壞情況一般是85^oC。

圖3給出了各種電感的交流阻抗與頻率的關(guān)系?？紤]一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的例子，其規(guī)格參數(shù)如下：F_SW=2MHz，V_IN=5.5V，L=2.2 μH，V_OUT=1.5V，I=0 到600MA，ΔI=289MA (計(jì)算值)。

　　參見圖3，2.2μH額定電感在低頻下的DCR為0.2Ω，2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計(jì)算：

DC損耗=I²×DCR

AC損耗=(dΔI²)/12×ESR

　　由上式可知，輸出電流較高時(shí)，低頻或直流損耗占主導(dǎo)地位；輸出電流較低時(shí)，交流損耗占主導(dǎo)地位。ΔI是轉(zhuǎn)換器的峰峰值紋波電流，在連續(xù)傳導(dǎo)工作模式中，輸出電流高和低時(shí)其幅度都一樣。由數(shù)學(xué)計(jì)算可知，I=600MA時(shí)，電感總體損耗的91%是直流損耗；I=50mA時(shí)，電感總體損耗的93%是交流損耗。

　　圖4a (ESR) 和 4b (Q)給出了廠商A(低 ESR，高Q值)和廠商B(高ESR，低Q值)的電感，還顯示了采用這些電感(圖4c) 的2MHz轉(zhuǎn)換器的效率曲線。從這些數(shù)據(jù)判斷，即使廠商A有較高的DCR，它也能在輕負(fù)載下提供更高的效率。

　　根據(jù)應(yīng)用的不同，可以選擇屏蔽式或非屏蔽式電感器。一般而言，屏蔽式電感用于那些必須滿足嚴(yán)格的EMI規(guī)范的便攜式應(yīng)用。

　　最后但絕非不重要的是，按照生產(chǎn)方式的不同，有兩類電感器。第一類是傳統(tǒng)的繞線線圈式(Wire Wound coil)電感，另一類是較新式的芯片電感。芯片電感憑其尺寸和高度方面的優(yōu)勢(shì)使用正日益廣泛。PCB裝配時(shí)的安裝速度也是芯片(多層)電感生產(chǎn)商大肆宣傳的優(yōu)點(diǎn)之一。在選擇開關(guān)解決方案時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須考慮到芯片電感的某些關(guān)鍵規(guī)格。電感和直流電流的關(guān)系隨溫度的變化是線圈式電感和芯片電感有顯著不同的一個(gè)主要參數(shù)。圖5顯示了繞線線圈電感和芯片電感的橫截面示意圖。

　　從圖6可看到，一般來(lái)說(shuō)，線圈式電感的電感-直流電流及溫度關(guān)系曲線在飽和電流之前很平坦。在飽和電流之后，則隨電流變化出現(xiàn)急劇下降。典型地，I_SAT在85^oC 時(shí)比25 ^oC時(shí)要低10％到20%。

　　25 ^oC時(shí)，芯片電感有一個(gè)高于額定值的初始電感值。一旦電流增大，芯片電感就開始下降。因此，大多數(shù)情況下，額定I_SAT的定義不適用于芯片電感。規(guī)定了溫度上升的額定rms電流也決定了芯片電感的額定電流。電感值隨溫度下降，不隨直流電流下降，是芯片電感的另一個(gè)特性。

　　關(guān)于實(shí)際的電感值，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須謹(jǐn)慎選擇正確的電感，并按照規(guī)格說(shuō)明書找到最小的電感值。電感選擇不正確會(huì)影響到穩(wěn)定性，引起次諧波振蕩(sub-harmonic oscillations)，和/或降低開關(guān)的額定輸出電流。與陶瓷電容的情況相同，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)主要關(guān)注實(shí)際工作情況中的電感值，而非額定電感值。

　　如何為磁性降壓轉(zhuǎn)換器選擇電感的額定電流呢？如果電感的額定I_RMS大于所需輸出電流，最容易的方法是選擇額定值大于或等于開關(guān)的最大電流限值的I_SAT。不過(guò)，正如我們?cè)谛酒姼兄锌吹降?，我們必須搜尋滿足穩(wěn)定性和輸出電流要求的最小電感值。選擇較高值的芯片電感(比如用3.3μH代替2.2μH) 來(lái)滿足電感要求是不可行的，因?yàn)閷?duì)相同外殼尺寸的電感器，電感值越高，其下降就越劇烈。

　　此外，芯片電感廠商間存在著各種差異。例如，廠商A可能采用低滲透性材料，使電感值逐步改變。但這種方案需要更多的介電層。因此，較之采用高滲透率材料、下降更劇烈的廠商B，A將有更高的DCR，B的DCR較低。

　　本文的目的是給出一些能夠用于實(shí)際情況的相關(guān)信息，也向系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員和元件采購(gòu)工程師介紹了在元件選擇過(guò)程中，應(yīng)該向元件生產(chǎn)商索取的必要數(shù)據(jù)。

作者：Mathew Jacob，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程經(jīng)理，Email: mathew.jacob@nsc.com

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