電感電流，你關注的都在這裡

01簡介

在開關電源的設計中電感的設計為工程師帶來的許多的挑戰。工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流，繞線電阻，機械尺寸等等。本文專注於解釋：電感上的DC電流效應。這也會為選擇合適的電感提供必要的資訊。

02理解電感的功能

電感常常被理解為開關電源輸出端中的LC濾波電路中的L（C是其中的輸出電容）。雖然這樣理解是正確的，但是為了理解電感的設計就必須更深入的瞭解電感的行為。

在降壓轉換中（Fairchild典型的開關控制器），電感的一端是連線到DC輸出電壓。另一端透過開關頻率切換連線到輸入電壓或GND。

在狀態1過程中，電感會透過（高邊 “high-side”）MOSFET連線到輸入電壓。在狀態2過程中，電感連線到GND。由於使用了這類的控制器，可以採用兩種方式實現電感接地：透過 二極體接地或透過（低邊“low-side”）MOSFET接地。如果是後一種方式，轉換器就稱為“同步（synchronus）”方式。

現在再考慮一下在這兩個狀態下流過電感的電流是如果變化的。在狀態1過程中，電感的一端連線到輸入電壓，另一端連線到輸出電壓。對於一個降壓轉換器，輸 入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。相反，在狀態2過程中，原來連線到輸入電壓的電感一端被連線到地。對於一個降壓轉換器，輸出電壓必 然為正端，因此會在電感上形成負向的壓降。

我們利用電感上電壓計算公式：

V=L（dI/dt）

因此，當電感上的電壓為正時（狀態1），電感上的電流就會增加；當電感上的電壓為負時（狀態2），電感上的電流就會減小。透過電感的電流如圖2所示：

透過上圖我們可以看到，流過電感的最大電流為DC電流加開關峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據上述的公式，我們可以計算出峰值電流：

其中，ton是狀態1的時間，T是開關週期（開關頻率的倒數），DC為狀態1的佔空比。

警告：上面的計算是假設各元器件（MOSFET上的導通壓降，電感的導通壓降或非同步電路中肖特基二極體的正向壓降）上的壓降對比輸入和輸出電壓是可以忽略的。

如果，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作精確計算：

同步轉換電路：

非同步轉換電路：

其中，Rs為感應電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極體的正向壓降。R是Rs加MOSFET導通電阻，R=Rs+Rm。

03電感磁芯的飽和度

透過已經計算的電感峰值電流，我們可以發現電感上產生了什麼。很容易會知道，隨著透過電感的電流增加，它的電感量會減小。這是由於磁芯材料的物理特性決 定的。電感量會減少多少就很重要了：如果電感量減小很多，轉換器就不會正常工作了。當透過電感的電流大到電感實效的程度，此時的電流稱為“飽和電流”。這 也是電感的基本引數。

實際上，轉換電路中的開關功率電感總會有一個“軟”飽和度。要了解這個概念可以觀察實際測量的電感Vs DC電流的曲線：

當電流增加到一定程度後，電感量就不會急劇下降了，這就稱為“軟”飽和特性。如果電流再增加，電感就會損壞了。

注意：電感量下降在很多類的電感中都會存在。例如：toroids，gapped E-cores等。但是，rod core電感就不會有這種變化。

有了這個軟飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的最小電感量；而且由於紋波電流的變化也不會嚴重影響電感量。在 所有的應用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什麼大家總是很關心DC輸出電流下的電感量，而會在Spec中忽略紋波電流 下的電感量