DC-DC功率电感挑选准则

问题:

DC-DC功率电感挑选准则?

回答:

饱和电流:

当流经电流过大时，其电感值会下降。
而电感值下降30%时，所对应的电流值大小，
称之饱和电流，Isat。

以上图为例，一个10uH的电感，如果5A的电流，
使其电感值下降到7uH，亦即下降了30%
我们称这颗电感的饱和电流为5A


所以我们知道，当功率电感饱和时，电感值会下降
而在[1]得知，
电感值下降，其稳流能力跟着下降，
亦即Ripple会加大，进而加强EMI辐射干扰
所以从上图右可知，一但功率电感饱和，
其Ripple会加剧


故，饱和电流是越大越好，
这样饱和的风险才会低

一般而言 饱和电流最好大于额定电流的1.3倍:

例如，若DC-DC输出电流为3A，
那该功率电感的饱和电流 至少要为3.9A以上

种类:

再来是种类，主要分绕线式跟多层式

我们已经知道，挑选功率电感时，
其内阻DCR越小越好，
饱和电流越大越好

但，由下图我们得知
在内阻与饱和电流，这两个参数上
绕线式跟多层式，各有优劣
(假设两者的尺寸跟电感值一样)
绕线式的内阻会较低，
而多层式的饱和电流会较高

尺寸:

再来是尺寸
许多消费性产品，因为强调轻薄短小，
所以对零件的尺寸大小很要求，
包含功率电感

但由上图可知，
同样的电感值，尺寸越小，内阻越大
而内阻过大，其转换效率会下降，IR Drop会加剧，
也容易使PCB温度过高

由上图可知，当PCB温度过高时，
其乘载电流的能力会下降，
亦即容易有饱和的风险

而如前述，
内阻过大，已经会让转换效率下降，PCB温度上升
而急遽上升的温度，又会使得转换效率更加下降，
造成恶性循环
上图可知，同样温度下，
有无加入导热方案，其转换效率可以差三倍 (25%跟75%)

以上，在在都显示，高温对功率电感的危害
而这是内阻过大造成的
因此 在一昧追求小尺寸零件时
必须一并考虑其危害
尺寸不是越小越好 因为内阻会加大

屏蔽罩:

由上图可知 有屏蔽罩的功率电感
可以有效将EMI辐射干扰 封锁在其中
进而避免干扰天线 导致接收性能劣化

但由上图也看出
带有屏蔽罩的功率电感
比不带屏蔽罩的 , 更加容易饱和
如上图 一样都是3A电流 一样都是10uH的电感
不带屏蔽罩的 顶多下降到9.6uH而已
有带屏蔽罩的 可能会下降到7.2uH
而前述说 , 一但功率电感饱和
Ripple加大, EMI辐射加大, 一样会有RF收性能劣化的风险

如上图
或许有人提出 把带屏蔽罩的功率电感 值加大就好
好比从10uH 加大到13uH
如此一来 在同样电流下(假设3A)
有屏蔽罩 跟 没屏蔽罩
其电感值一样都是10uH 亦即Ripple大小一样
不会有EMI辐射干扰加剧的风险


但
这不是个好做法
在[1]中提过
功率电感值 如果过大
会有内阻过大 电感性范围缩减
转换效率下降 瞬时反应速度变慢
PCB温度急遽上升等风险
如下图:

而我们从前面的图 可以发现
如果是半屏蔽的功率电感
其电感值下降幅度 正好处于有屏蔽罩 跟没屏蔽罩之间
算是一种折衷的设计方案


所以 我们将挑选准则 整理如下:

1. 电感值刚刚好最好 过大过小都不好
2. 内阻越小越好 (所以尺寸也不宜过小)
3. 饱和电流越大越好
4. 若是有天线的产品 有屏蔽罩的较好 (前提是不能饱和)


参考文献

[1] DC-DC的功率电感 是越大越好? 还是越小越好? CSDN
https://blog.csdn.net/criterion123/article/details/109710604