【導讀】電(dian)感(gan)是(shi)電(dian)路(lu)中(zhong)常(chang)見(jian)的(de)儲(chu)能(neng)被(bei)動(dong)元(yuan)器(qi)件(jian)，在(zai)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)起(qi)到(dao)濾(lv)波(bo)，升(sheng)壓(ya)
，降(jiang)壓(ya)等(deng)作(zuo)用(yong)。方(fang)案(an)設(she)計(ji)初(chu)期(qi)工(gong)程(cheng)師(shi)不(bu)僅(jin)要(yao)選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)電(dian)感(gan)值(zhi)，還(hai)要(yao)考(kao)慮(lv)電(dian)感(gan)可(ke)承(cheng)受(shou)的(de)電(dian)流(liu)，線(xian)圈(quan)的(de)DCR，機械尺寸，損耗等等。如果對電感的功能不夠熟悉
，往往會在設計中很被動，耗費大量的時間。

理解電感的功能

電感元器件是開關電源輸出端中的LC濾波電路中的“L”在降壓轉換中，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或GND。

在狀態1過程中，電感會通過MOSFET連接到輸入電壓。在狀態2過程中，電感連接到GND。

由於使用了這類的控製器
，可以采用兩種方式實現電感接地：通過二極管接地或通過MOSFET接地。如果是前一種方式，轉化器稱為異步方式。後一種方式，轉換器就稱為同步方式。

在狀態1過(guo)程(cheng)中(zhong)，電(dian)感(gan)的(de)一(yi)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)，另(ling)一(yi)端(duan)連(lian)接(jie)到(dao)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)。對(dui)於(yu)一(yi)個(ge)降(jiang)壓(ya)轉(zhuan)換(huan)器(qi)
，輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)必(bi)須(xu)比(bi)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)高(gao)，因(yin)此(ci)會(hui)在(zai)電(dian)感(gan)上(shang)形(xing)成(cheng)正(zheng)向(xiang)壓(ya)降(jiang)。

在狀態2過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。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。

電感電壓計算公式

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。通過電感的電流如圖2所示：

通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是開關周期，DC為狀態1的占空比。

同步轉換電路

異步轉換電路

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

電感磁芯的飽和度

通(tong)過(guo)已(yi)經(jing)計(ji)算(suan)的(de)電(dian)感(gan)峰(feng)值(zhi)電(dian)流(liu)，我(wo)們(men)會(hui)知(zhi)道(dao)，隨(sui)著(zhe)通(tong)過(guo)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)增(zeng)加(jia)，它(ta)的(de)電(dian)感(gan)量(liang)會(hui)衰(shuai)減(jian)。這(zhe)是(shi)由(you)於(yu)磁(ci)芯(xin)材(cai)料(liao)的(de)物(wu)理(li)特(te)性(xing)決(jue)定(ding)的(de)。電(dian)感(gan)量(liang)會(hui)衰(shuai)減(jian)多(duo)少(shao)非(fei)常(chang)關(guan)鍵(jian)，重(zhong)要(yao)：如果電感量衰減過大，轉換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感失效的程度
，此時的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數。

轉換電路中的功率電感會有一個飽和曲線非常關鍵，值得注意。要了解這個概念可以觀察實際測量的LvsDC電流的曲線：

當電流增加到一定程度後
，電感量就會急劇下降，這就是飽和特性。如果電流再增加
，電感就會失效了。

有了這個飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的電感值變化範圍（△L≤20%或30%），電感規格書上為什麼會有Isat這(zhe)個(ge)參(can)數(shu)了(le)。由(you)於(yu)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)的(de)變(bian)化(hua)不(bu)會(hui)嚴(yan)重(zhong)影(ying)響(xiang)電(dian)感(gan)量(liang)。在(zai)所(suo)有(you)的(de)應(ying)用(yong)中(zhong)都(dou)希(xi)望(wang)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)盡(jin)量(liang)的(de)小(xiao)
，因(yin)為(wei)它(ta)會(hui)影(ying)響(xiang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)的(de)紋(wen)波(bo)。這(zhe)也(ye)就(jiu)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me)大(da)家(jia)總(zong)是(shi)很(hen)關(guan)心(xin)DC輸出電流下的電感量的衰減程度，而會在規格書中忽略紋波電流下的電感量的原因。

開關電源選擇合適的電感

電感是開關電源中常用的元件，由於它的電流、電壓相位不同
，所以理論上損耗為零。電感常為儲能元件，具有“來拒去留”的特點，常與電容一起用在輸入濾波和輸出濾波電路上
，用來平滑電流。

dianganweicixingyuanjian，ziranyoucibaohedewenti。youdeyingyongyunxudianganbaohe
，youdeyingyongyunxudiangancongyidingdianliuzhikaishijinrubaohe，yeyoudeyingyongbuyunxudianganchuxianbaohe
，zheyaoqiuzaijutixianluzhongjinxingqufen。daduoshuqingkuangxia
，diangangongzuozai“線性區”，此時電感值為一常數
，不隨著端電壓與電流而變化。但是，開關電源存在一個不可忽視的問題，即電感的繞線將導致兩個分布參數(或寄生參數)
，一個是不可避免的繞線電阻，另一個是與繞製工藝、材(cai)料(liao)有(you)關(guan)的(de)分(fen)布(bu)式(shi)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)。雜(za)散(san)電(dian)容(rong)在(zai)低(di)頻(pin)時(shi)影(ying)響(xiang)不(bu)大(da)，但(dan)隨(sui)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)而(er)漸(jian)顯(xian)出(chu)來(lai)，當(dang)頻(pin)率(lv)高(gao)到(dao)某(mou)個(ge)值(zhi)以(yi)上(shang)時(shi)，電(dian)感(gan)也(ye)許(xu)變(bian)成(cheng)電(dian)容(rong)特(te)性(xing)了(le)。如(ru)果(guo)將(jiang)雜(za)散(san)電(dian)容(rong)“集中”為一個電容
，則從電感的等效電路可以看出在某一頻率後所呈現的電容特性。

當分析電感在線路中的工作狀況時，一定要考慮下麵幾個特點：

1.當電感L中有電流I流過時，電感儲存的能量為：E＝0.5×L×I2(1)

2.在一個開關周期中，電感電流的變化(紋波電流峰峰值)與電感兩端電壓的關係為：V＝(L×di)/dt(2)由此可看出，紋波電流的大小跟電感值有關。

3.電感器也有充、放電壓過程。電感上的電流與電壓的積分(伏·秒)成正比。隻要電感電壓變化，電流變化率di/dt也將變化
；正向電壓使電流線性上升
，反向電壓使電流線性下降。

降壓型開關電源的電感選擇

降壓型開關電源選擇電感器時
，需要確定最大輸入電壓
、輸出電壓
、電源開關頻率、最大紋波電流、占空比。下麵說明降壓型開關電源電感值的計算
，首先假設開關頻率為300kHz
、輸入電壓範圍12V±10%、輸出電流為1A
、最大紋波電流300mA。

降壓型開關電源的電路圖

最大輸入電壓值為13.2V，對應的占空比為：

D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3)

其中，Vo為輸出電壓、Vi為輸出電壓。當開關管導通時，電感器上的電壓為：

V＝Vi－Vo＝8.2V(4)

當開關管關斷時
，電感器上的電壓為：

V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5)

dt＝D/F(6)

把公式2/3/6代入公式2得出：

升壓型開關電源的電感選擇

升sheng壓ya型xing開kai關guan電dian源yuan的de電dian感gan值zhi計ji算suan，除chu了le占zhan空kong比bi與yu電dian感gan電dian壓ya的de關guan係xi式shi有you所suo改gai變bian外wai
，其qi它ta過guo程cheng跟gen降jiang壓ya型xing開kai關guan電dian源yuan的de計ji算suan方fang式shi一yi樣yang。假jia設she開kai關guan頻pin率lv為wei300kHz
、輸入電壓範圍5V±10%、輸出電流為500mA
、效率為80%，則最大紋波電流為450mA
，對應的占空比為：D＝1－Vi/Vo＝1－5.5/12＝0.542(7)

升壓型開關電源的電路圖

當開關管導通時，電感器上的電壓為：V＝Vi＝5.5V(8)當開關管關斷時，電感器上的電壓為：V＝Vo＋Vd－Vi＝6.8V(9)把公式6/7/8代入公式2得出：

請(qing)注(zhu)意(yi)，升(sheng)壓(ya)電(dian)源(yuan)與(yu)降(jiang)壓(ya)電(dian)源(yuan)不(bu)同(tong)
，前(qian)者(zhe)的(de)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)並(bing)不(bu)是(shi)一(yi)直(zhi)由(you)電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)提(ti)供(gong)。當(dang)開(kai)關(guan)管(guan)導(dao)通(tong)時(shi)
，電(dian)感(gan)電(dian)流(liu)經(jing)過(guo)開(kai)關(guan)管(guan)流(liu)入(ru)地(di)，而(er)負(fu)載(zai)電(dian)流(liu)由(you)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)提(ti)供(gong)
，因(yin)此(ci)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)必(bi)須(xu)有(you)足(zu)夠(gou)大(da)的(de)儲(chu)能(neng)容(rong)量(liang)來(lai)提(ti)供(gong)這(zhe)一(yi)期(qi)間(jian)負(fu)載(zai)所(suo)需(xu)的(de)電(dian)流(liu)。但(dan)在(zai)開(kai)關(guan)管(guan)關(guan)斷(duan)期(qi)間(jian)，流(liu)經(jing)電(dian)感(gan)的(de)電(dian)流(liu)除(chu)了(le)提(ti)供(gong)給(gei)負(fu)載(zai)，還(hai)給(gei)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)充(chong)電(dian)。

一yi般ban而er言yan
，電dian感gan值zhi變bian大da
，輸shu出chu紋wen波bo會hui變bian小xiao，但dan電dian源yuan的de動dong態tai響xiang應ying也ye會hui相xiang應ying變bian差cha，所suo以yi電dian感gan值zhi的de選xuan取qu可ke以yi根gen據ju電dian路lu的de具ju體ti應ying用yong要yao求qiu來lai調tiao整zheng以yi達da到dao最zui理li想xiang效xiao果guo。開kai關guan頻pin率lv的de提ti高gao可ke以yi讓rang電dian感gan值zhi變bian小xiao
，從cong而er讓rang電dian感gan的de物wu理li尺chi寸cun變bian小xiao，節jie省sheng電dian路lu板ban空kong間jian
，因yin此ci目mu前qian的de開kai關guan電dian源yuan有you往wang高gao頻pin發fa展zhan的de趨qu勢shi
，以yi適shi應ying電dian子zi產chan品pin的de體ti積ji越yue來lai越yue小xiao的de要yao求qiu。

開關電源的分析與應用

楞次定律相關內容：在zai直zhi流liu供gong電dian的de時shi候hou，由you於yu線xian圈quan的de自zi感gan作zuo用yong，線xian圈quan將jiang產chan生sheng一yi個ge自zi感gan電dian動dong勢shi，此ci電dian動dong勢shi將jiang阻zu礙ai線xian圈quan電dian流liu的de增zeng加jia

，所suo以yi在zai通tong電dian的de一yi瞬shun間jian，電dian路lu電dian流liu可ke以yi認ren為wei是shi0，此時電路全部壓降全落在線圈上，然後電流緩慢增加，線圈端電壓緩慢下降直到為零,暫態過程結束

在轉換器的開關運行中，必須保證電感不處在飽和狀態，以確保高效率的能量存儲和傳遞。飽和電感在電路中等同於一個直通DC通路,故gu不bu能neng存cun儲chu能neng量liang，也ye就jiu會hui使shi開kai關guan模mo式shi轉zhuan換huan器qi的de整zheng個ge設she計ji初chu衷zhong功gong虧kui一yi簣kui。在zai轉zhuan換huan器qi的de開kai關guan頻pin率lv已yi經jing確que定ding時shi，與yu之zhi協xie同tong工gong作zuo的de電dian感gan必bi須xu足zu夠gou大da，並bing且qie不bu能neng飽bao和he。

開關電源中的電感確定：開kai關guan頻pin率lv低di，由you於yu開kai和he關guan的de時shi間jian都dou比bi較jiao長chang
，因yin此ci為wei了le輸shu出chu不bu間jian斷duan的de需xu要yao
，需xu要yao把ba電dian感gan值zhi加jia大da點dian，這zhe樣yang可ke以yi讓rang電dian感gan可ke以yi存cun儲chu更geng多duo的de磁ci場chang能neng量liang。同tong時shi，由you於yu每mei次ci開kai關guan比bi較jiao長chang

，能neng量liang的de補bu充chong更geng新xin沒mei有you如ru頻pin率lv高gao時shi的de那na樣yang及ji時shi
，從cong而er電dian流liu也ye就jiu會hui相xiang對dui的de小xiao點dian。這zhe個ge原yuan理li也ye可ke以yi用yong公gong式shi來lai說shuo明ming：

L=（dt/di）*uL

D＝Vo/Vi
，降壓型占空比D＝1-Vi/Vo
，升壓型占空比

dt＝D/F
，F＝開關頻率

di＝電流紋波

所以得L＝D*uL/（F*di），當F開關頻率低時

，就需要L大一點
；同意當L設大時

，其他不變情況下，則紋波電流dijiuhuixiangduijianxiaozaigaodekaiguanpinlvxia
，jiadadianganhuishidiangandezukangbianda，zengjiagonglvsunhao，shixiaolvjiangdi。tongshi，zaipinlvbubiantiaojianxia，yibaneryan，dianganzhibianda，shuchuwenbohuibianxiao，dandianyuandedongtaixiangying（負載功耗偶爾大偶爾小，在大小變化之間相應慢）也會相應變差，所以電感值的選取可以根據電路的具體應用要求來調整以達到最理想效果。

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