了解功率电感参数

简介
消费类应用是现代 DC/DC 变换器需求的主要驱动力。 在这类应用中,功率电感主要被用于电池供电设备、嵌入式计算,以及高功率、高频率的 DC/DC 变换器。了解电感的电气特性对于设计紧凑型、经济型、高效率、并具备出色散热性能的系统至关重要。
电感是一种相对简单的元件,它由缠绕在线圈中的绝缘线组成。但当单个元件组合在一起,用来创建具有适当尺寸、重量、温度、频率和电压的电感,同时又能满足目标应用时,复杂性就会增加。
选择电感时,了解电感数据手册中标明的电气特性非常重要。 本文将提供指导,帮助您为解决方案选择最佳电感,同时阐明如何在设计新型 DC/DC 变换器时预测电感性能。
电感是什么?
电感是一种电路元件,它可以在自身磁场中储存能量。电感通过储存将电能转换为磁能,然后向电路提供能量以调节电流。当电流增加,磁场就会增强。
图 1 展示了电感模型。

电感是采用绝缘线绕成线圈形成的。线圈可以是不同的形状和尺寸,也可以使用不同的芯材缠绕。
电感的大小则取决于匝数、磁芯尺寸和磁导率等多种因素。
图 2 显示了关键的电感参数。

表 1 显示了如何计算电感 (L)。
表1: 计算电感(L)

下面,我们将详细描述常见的电感参数。
磁导率
磁导率是材料响应磁通量的能力,也表明了在施加的电磁场中有多少磁通量可以通过电感。
表2显示了磁导率对磁通密度(B)的增强。
表 2:计算磁通密度 (B)

从表 2可以看出,磁通量的浓度取决于磁芯的磁导率和尺寸。
图 3 显示了一个没有磁芯的线圈。

空心线圈的磁导率为常数值(µr air),大约等于 1。
图 4 显示了一个带磁芯的电感。当然,有磁芯时,磁场会增强。

不同磁芯材料的典型磁导率不同。
表 3 列出了三种不同芯材的磁导率。
表 3:磁芯磁导率


电感值 (L)
电感将感应的电能存储为磁能的能力通过电感值来体现。在开关输入电压驱动电感的同时,电感要为输出负载提供恒定的直流电流。
表 4 显示了电流和电感电压之间的关系。 可以看出,电感两端的电压与电流随时间的变化成正比。
表 4:计算电感压降

首先,确定设计需要的电感范围。要注意,电感值在整个工作条件下并不是恒定的, 它会随着频率的增加而变化。因此,对具有更高开关频率的应用,需要特殊考量。电感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的频率下测试电感,因为大多数 DC/DC 变换器都在此范围内工作。
电阻 (R)
电感的电流电阻会导致散热,从而影响效率。总铜损中包含了 RDC 损耗和RAC 损耗。 RDC 与频率无关,始终恒定;RAC 则取决于频率。
表 5 显示计算 RDC的方法。
表 5:计算铜线 RDC

降低铜损的唯一方法是增大导线面积,即改用较粗的导线,或使用扁线。采用扁线可以使绕组窗口被完全利用,从而带来较低的 RDC。
表 6 所示为圆线与扁线的横截面积比较。
表 6:圆形与扁线的横截面积比较

表 7对圆线和扁线的特性进行了比较。
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