一文讀懂開(kāi)關(guān)電源如何配合適的電感

　　三、電感參數(shù)選取

　　除了上面講的感值和容差(Tolerance)外，電感還有以下重要參數(shù)：自激頻率

　　(Self-resonant frequency，f(o))，R(DC)，飽和電流(Saturation current，I(sat))和均方根電流(RMS current，I(RMS))。盡管參數(shù)很多，但準(zhǔn)則只有一條：盡量保證f(sw)下電感的阻抗最小，讓實(shí)際電路和理想模型吻合，降低電感的功耗和熱量，提高電源的效率。

　　3.1 自激頻率f(o)

　　理想模式的電感，其阻抗與頻率呈線性關(guān)系，會(huì)隨頻率升高而增大。實(shí)際電感模型如圖3-1-1所示，由電感L串聯(lián)R(DCR)和寄生電容C并聯(lián)而成，存在自激頻率f(o)。頻率小于f(o)時(shí)呈感性，大于f(o)時(shí)呈容性，在f(o)處阻抗最大。

　　經(jīng)驗(yàn)值：電感的自激頻率f(o)最好選擇大于10倍開(kāi)關(guān)頻率f(sw)。

　　3.2 直流電阻R(DCR)

　　電感的直流電阻R(DCR)自身會(huì)消耗一部分功率，使開(kāi)關(guān)電源的效率下降，更要命的是這種消耗會(huì)通過(guò)電感升溫的方式進(jìn)行，這樣又會(huì)降低電感的感值，增大紋波電流和紋波電壓，所以對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)講，應(yīng)根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)提供的DCR典型值或最大值的基礎(chǔ)上，盡可能選擇DCR小的電感。

　　3.3 飽和電流I(SAT)和均方根電流I(RMS)(電感燒毀問(wèn)題)

　　電感的飽和電流I(SAT)指其感值下降了標(biāo)稱(chēng)值的10%~30%所能通過(guò)的最大電流。如圖3-3-2所示，4.7uH電感下降為3.3uH時(shí)的電流約為900mA，因此其I(SAT)(30%)是900mA。

　　電感的均方根電流I(RMS)指電感溫度由室溫25℃上升至65℃時(shí)能通過(guò)的均方根電流。

　　I(SAT)和I(RMS)的大小取決于電感磁飽和與溫度上升至65℃的先后順序。

　　當(dāng)標(biāo)稱(chēng)輸出電流大于I(SAT)時(shí)，電感飽和，感值下降，紋波電流、紋波電壓增大，效率降低。因此，電感的I(SAT)和I(RMS)中的最小值應(yīng)高于開(kāi)關(guān)電源額定輸出電流的1.3以上。

　　四、電感類(lèi)型選取

　　在明確了最小電感值的計(jì)算和電感參數(shù)的選取后，有必要對(duì)市面上一些流行的電感類(lèi)型

　　做比較分析，下面會(huì)圍繞：大電感和小電感、繞線電感和疊層電感、磁屏蔽電感和非屏蔽電感進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

　　4.1 同尺寸下的大電感和小電感

　　這里“同尺寸”指電感的物理形狀大致相同，“大小”指標(biāo)稱(chēng)容量不同。一般小容量的電感具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　較低的DCR，因此在重載時(shí)會(huì)有更高的效率和較少的發(fā)熱;

　　更大的飽和電流;

　　更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)速度;

　　而大容量的電感具有較低的紋波電流和紋波電壓，較低的AC和傳導(dǎo)損失，在輕載時(shí)有較高的效率。圖4-1-1所示是Taiyo Yuden三種 2518封裝不同容量大小的電感負(fù)載電流跟效率的關(guān)系曲線。

　　4.2 繞線電感和疊層電感

　　相比于繞線電感，疊層電感具有如下優(yōu)勢(shì)：

　　較小的物理尺寸，占用較少的PCB面積和高度空間;

　　較低的DCR，在重載時(shí)有更高的效率;

　　較低的AC損失，在輕載時(shí)有更高的效率;

　　但是，疊層電感的SATI也較小，因此其在重載時(shí)會(huì)有較大的紋波電流，導(dǎo)致輸出的紋波電壓也相應(yīng)增大。圖4-2-1所示是Taiyo Yuden的兩種繞線電感與三星的兩種疊層電感負(fù)載電流和效率的關(guān)系曲線。

　　4.3 磁屏蔽電感和非屏蔽電感

　　非屏蔽電感會(huì)有較低的價(jià)格和較小的尺寸，但也會(huì)產(chǎn)生EMI。磁屏蔽電感會(huì)有效屏蔽掉EMI，因此更適合無(wú)線設(shè)備這樣EMI敏感的應(yīng)用，此外它還具有較低的DCR。

　　五、電感選取總結(jié)

　　根據(jù)前面幾節(jié)內(nèi)容的介紹，我們可以按照以下步驟選擇適合的電感：

　　(1) 計(jì)算L(min)和推薦電感參數(shù)：f(o)、R(DC)、I(SAT)、I(RMS);

　　(2) 在保證(1)的前提下，依據(jù)物理尺寸要求和性?xún)r(jià)比，折中選擇：大電感還是小電感，疊層電感還是繞線電感，磁屏蔽電感還是非屏蔽電感。

　　六、開(kāi)關(guān)電源布局

　　以Buck電路為例，不管開(kāi)關(guān)管是由閉合-打開(kāi)還是打開(kāi)-閉合，電流發(fā)生瞬變的部分都如圖(c)所示，它們是會(huì)產(chǎn)生非常豐富的諧波分量的上升沿或下降沿。通俗的講，這些會(huì)產(chǎn)生瞬變的電流跡線(trace)就是所謂的“交流”(AC current)，其余部分是“直流”(DC current)。當(dāng)然這里交直流的區(qū)別不是傳統(tǒng)教科書(shū)上的定義，而是指開(kāi)關(guān)管的PWM頻率只是“交流”FFT變換里的一個(gè)分量，而在“直流”里這樣的諧波分量很低，可忽略不記。所以?xún)?chǔ)能電感屬于“直流”也就不奇怪，畢竟電感具有阻止電流發(fā)生瞬變的特性。因此，在開(kāi)關(guān)電源布局時(shí)，“交流”跡線是最重要和最需要仔細(xì)考慮的地方。這也是需要牢記的唯一基本定律(only basic rule)，并適用于其它法則和拓?fù)洹Ｏ聢D表示了Boost電路電流瞬變跡線，注意它和Buck電路的區(qū)別。

　　1inch長(zhǎng)，50mm寬，1.4mil厚(1盎司)的銅導(dǎo)線在室溫下的電阻為2.5mΩ，若流過(guò)電流為1A，則產(chǎn)生的壓降是2.5mV，不會(huì)對(duì)絕大部分IC產(chǎn)生不利影響。然而，這樣1inch長(zhǎng)的導(dǎo)線的寄生電感為20nH，由V=L*dI/dt可知，若電流變化快速，可能產(chǎn)生很大的壓降。典型的Buck電源在開(kāi)關(guān)管由開(kāi)-關(guān)時(shí)產(chǎn)生的瞬變電流是輸出電流的1.2倍，由關(guān)-開(kāi)是產(chǎn)生的瞬變電流是輸出電流的0.8倍。FET型開(kāi)關(guān)管的轉(zhuǎn)換時(shí)間是30ns，Bipolar型的是75ns，所以開(kāi)關(guān)電源“交流”部分1inch的導(dǎo)線，流過(guò)1A瞬變電流時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生0.7V的壓降。0.7V相比于2.5mV，增大了近300倍，所以高速開(kāi)關(guān)部分的布局就顯得尤為重要。

　　盡可能地把所有外圍器件都緊密地放在轉(zhuǎn)換器的旁邊，減少走線的長(zhǎng)度會(huì)是最理想的布局方式，但限于極其有限的布局空間，實(shí)際往往做不到，因此有必要根據(jù)瞬變壓降的嚴(yán)重程度按優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行。對(duì)Buck電路，輸入旁路電容須盡可能靠近IC放置，接下來(lái)是輸入電容，最后是二極管，采用短而粗的跡線將其一端與SW相連，另一端與地相連。而對(duì)Boost電路布局來(lái)說(shuō)，則是按輸出旁路電容，輸出電容和二極管的優(yōu)先級(jí)順序進(jìn)行布局。