原文来自原创书籍《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》:
被绕制成螺旋形状的线圈具有感性,用于电气用途线圈被称为电感,电感这个元件在电源和滤波电路中使用非常广泛,由此可以分为两类,一类是用于信号系统的电感,另一类是用于电源系统的功率电感。
正是因为电感这个元件使用普遍,就很容易被人忽视其一些基本参数,造成设计不足,导致产品出现严重的使用问题。越是细节的东西就越值得仔细推敲,这是硬件工程师的基本功。图1-14 是电感元器件的符号以及电感内部结构,电感有绕线和叠层两种,叠层电感体积更小、有利于电路小型化,下面介绍电感的基本参数。
图1-14 几种常见的电感
1. 电感值
电感值是电感的基本参数,也是影响电源纹波电流的重要参数。电感和电容是对偶元件,电感有一个最重要也是最基本的公式(1-2):
流过DC-DC BUCK降压转换器中功率电感的电流是三角波电流(第二章会有详细介绍),只要确定DC-DC转换器的条件,就能根据公式(1-3)粗略计算适当的功率电感,其中Vin是输入电压,Vout是输出电压,Fsw是开关频率,Iout是输出电流(2.1.2节会有详细解析,这里先简单铺垫下,本书的前后逻辑关联是非常强的,在需要的地方,笔者会提示前后文相关位置)。
在DC-DC转换器的SPEC(也叫datasheet,规格书或数据手册)中都推荐了多种电感值作为使用参考,所以很多工程师不进行计算,只按照制造商的参考值选定,这个并不会达到性能和价格的最佳设计,这是因为手册中的推荐值是电源IC原厂推荐的一种通用设计,我们需要在供应商推荐基础之上,根据自家产品中负载的具体电源需求来优化电感选型,做到具体问题具体分析,同时参考推荐值,实现适合自己产品的最佳电路设计,后面章节会详细介绍电感具体选择。
2. 饱和电流ISAT
饱和电流特性也叫做直流叠加特性,其影响了电感工作时的有效感值,如果选择不合适,电感容易饱和,引起实际感值下降,不能满足设计需求,甚至有可能烧坏电路。饱和电流各家的定义略有不同,通常而言指的是使初始电感值减小30%时的电流,如图1-15 ,一个4.7 uH的电感,在1.5A时,电感下降了30%,只有大约3.3 uH。注意:如果ISAT不够的话,电源纹波电流会随着电感值的下降而增加,因为根据公式(1-3),在负载电压Vout不变时,L减小了,Iout自然就会变大,Iout增加后会使得电感进一步下降,这是个危险的事情。
图1-15 电感饱和电流
3. 温升电流Itemp
这是规定使用电感时的环境温度容许范围的参数,见图1-16 。温升电流的定义各家厂商也有区别,一般而言,指的是将电感温度上升了30℃时的电流。温度的影响因电路的工作环境而异,因此要根据实际使用环境选定。
图1-16 电感温升电流
4. 直流阻抗RDC
表示通过直流电时的电阻值,这个参数影响发热损耗,一般直流电阻越小损耗越少。减小RDC与尺寸小型化等条件略有冲突(RDC越小的电感,体积往往越大)。
5. 阻抗频率特性
理想电感的阻抗随着频率增加而增加,即“通直隔交”,然而实际电感由于寄生电容和电阻的存在,这使得电感在一定频率下呈现感性,超过一定频率呈现容性,阻抗反而随着频率的增加而减小,如图1-17 所示,这个频率就是转折频率或者叫谐振频率,这一点和电容刚好相反。
以上就是电感相关的特性参数,在选择电感时务必要仔细评估每个参数。
图1-17 实际电感等效模型和阻抗-频率曲线
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