如何为开关电源选择合适的电感

XJzy

[导读] 电感，一直以来都有些许神秘：它可以产生磁场，把磁场和电场联系起来；电感的电流I不能突变，但电流变化率dI/dt可以突变；电感的储能与其流过的电流有关。

电感，一直以来都有些许神秘：它可以产生磁场，把磁场和电场联系起来；电感的电流I不能突变，但电流变化率dI/dt可以突变；电感的储能与其流过的电流有关。

　　铁氧体和铁粉是用于开关电源电感的两种磁芯材料。应用于电源的储能电感通常制成闭环，使得整个磁场包含在电感的内部，因此磁通大小与磁芯的存储能量将表征磁芯材料的特性。

　　以Buck电路的输出电感为例。该电感的磁芯具有一定的直流分量，适用的材质有：

　　（1） 铁粉芯

　　碾磨的铁粉与其他的合金组成的精细颗粒与绝缘材料涂层构成磁粉芯。铁粉颗粒周围的绝缘颗粒构成了铁粉芯的内在分散气隙。

　　（2） 带气隙的铁氧体磁芯

　　Buck电路的电感具有一定的直流分量。若不开气隙，铁氧体磁芯极其容易饱和。开气隙后，闭合磁路的磁通将快速增大。由于空气的相对磁导率为1，且磁芯材料的相对磁导率为几千以上，所以，磁芯中的大部分能量将存储在气隙磁通中。

　　气隙降低了磁芯的有效磁导率，整个B-H曲线会倾斜，增大了饱和时的磁场强度H，磁芯不太容易饱和。图 1为不开气隙和开气隙的B-H曲线。

　　图 1 电感B-H曲线

　　通常我们会发现，大多数采用铁氧体的电感设计，其磁芯损耗仅为电感总损耗（线圈加上磁芯损耗）的5%~10%。但是若电感采用铁粉芯，则该值会增加到20%~30%。

　　一、电感：磁芯的饱和

　　当流过电感的电流（或磁场强度）大于一定值时，电感的磁芯可能饱和。当其饱和时，其感量会减小，并接近于0。

　　某反激电路的限流电阻上的电压波形如图 2所示（反激变换器中变压器的初、次级可以看成一对耦合电感）。从图中可以看出流经初级电感的电流波形。当电流增大时，电感逐渐饱和，电感量减小，从而导致梯形电流的波形的斜率增大。

　　图 2 电感饱和波形对比

　　二、电感：磁通的泄漏

　　电感的重要特性就是磁通泄漏。非屏蔽电感（如空心电感、棒状电感、工字电感、环形气隙电感等）都会产生磁通泄漏。这些是EMI的潜在来源。

　　特别地，储能电感中的气隙的磁场可能会干扰系统的其他器件。如果使用开气隙磁芯，为了使得磁场泄漏最小，使用小气隙的大磁芯比使用大气隙的小磁芯要好。

　　当两个电感L1和L2彼此靠近时，磁通泄漏将会在两者之间产生互感。第一个电感电路产生的磁场会对第二个电路产生激励。这一过程与反激变压器初级、次级线圈之间的相互影响类似。当两个电流通过磁场相互作用时，所产生的电压由互感LM决定：

　　式中，V2是向电路2注入的误差电压，I1是在电路1中流过L1的电流。LM对电路间距、电感环路面积以及环路方向非常敏感。

　　所以，电感的排列的原则有：

　　（1）正确排列电感的方向，使其成直角，使电感间的串扰降到最小；

　　（2）电感间距应尽可能远。

　　周立功致远电子研发生产的ZY78xx系列模块电源在设计时，充分考虑的电感的选择和布局，在空间体积与性能参数上做了最优化的平衡。此系列完全替换LM78xx系列芯片，具有高效率，小体积等优点。

　　图 3 ZY78xxS-500系列