BUCK电路电感选择和计算.doc

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如今，随着传输数据流的需要，电子产品的耗电量与日俱增，开关电源的频率也越来越高，并且对整
个电压模块的速度和尺寸要求也越来越严格。电感已经成为所有电源拓扑结构的根本组件，在工业，自动化
和DC-DC转换器上广泛使用。特别是满足从0到60A电流大小的范围内对电感提出了更高的要求。
电感在电子三组件电感、电容与电阻之中，乃居于产品设计转换的关键地位，电感类组件，必须经过一
一的设计与测试才能决定。考虑到目前电感器繁多的规格和种类，在下一代电子产品设计中为电源转换电路
选择一个好的电感并不简单，设计者必须在了解电感理论的根底上，再根据结构，额定电流，磁芯材料，磁
芯损耗，温度和饱和电流综合评价，选择最正确电感参数。另外值得庆幸的是，许多电感供货商都提供尺寸和
性能优秀的产品，甚至还可以修改产品参数以满足用户需求的效劳。

电感简介
电感、电阻和电容合称为三大被动组件，其电器特性虽然各有不同，但却都是3C产品中不可或缺的关键
组件。电感的主要功能为稳定电流与去除噪声，另可搭配电阻与电容展现多种功能，故在机器、设备、消费性
电子、电力配输与抑制电磁辐射方面被广泛运用。对电感的需求亦因而与日俱增。
电感的上游主要是以镍锌与锰锌铁氧体磁芯两大系列为主，因材料特性之不同，分别应用于信息和通讯产
品上。铁氧体磁芯〔FerriteCore〕是以高温烧成的金属氧化物，主要作为高频线圈及变压器等产品之磁芯。
电感的开展趋势主要是因应系统产品的开展而变化。在计算机及其周边信息产品方面，由于对空间需求的迫
切性不高，电感的开展以朝向产品体积小型化与开展排列式芯片电感为主。在通讯产品方面，由于该类产品对
空间需求迫切度高，因此电感器除了朝向小型化开展外，亦需进一步开发整合型组件以因应产品的需求；此外，
为因应产品高频化的开展，电感亦需提高其使用频率，而朝向陶瓷等高频材料及组件开发。整体而言，未来电
感器将朝向小型化、高频化及整合化开展。
电感参数
当导线内通过交流电流时，在导线的内部及其周围产生交变磁通，导线的磁通量与生产此磁通的电流之比。
当电感中通过直流电流时，其周围只呈现固定的磁力线，不随时间而变化；可是当在线圈中通过交流电流时，
其周围将呈现出随时间而变化的磁力线。根据法拉弟电磁感应定律〔Faraday'slaw〕－磁生电来分析，电感那么
是电流通过线圈产生的磁通量〔Flux〕储存在铁心中蓄积能量〔Φ=LI〕，当通过线圈的电流愈大时磁通量也相
对愈大，即代表储存的能量增加。产生的感应电动势为：
如图1中，开关导通时间段，电感L内的电流逐渐增加，当导通结束后，进入截止时间段，这时候由于L
内的电流到达最大值，电感中的电流不能突变，所以，继续有电流流过，当截止时间结束后，电感中的电流达
到最小值，重新开始新的周期。电感就是透过这种在交换周期中的导通时间，将能量储存在磁场内，并在断开
时，将所储存的能量提供应负载来工作。

图1.电感在DC-DCBuck电路中的应用，工作在连续电流模式下。电感两端的电压可以突变但电流不会突变。
由于电感中变化磁场会对周边产生电磁辐射，对周边敏感组件产生干扰，因此屏蔽是首先需要考虑的，从
图4可以看出屏蔽与非屏蔽电感的区别，他们各有优劣。屏蔽的电感最主要就对外辐射少，但是尺寸比拟大，
线圈的损耗大，价格也贵。非屏蔽的电感那么可以做的很小，电流也可以做的很大，价格也廉价。如果设计中问
题辐射是关键因子，屏蔽电感还是首选。另外一个是环形电感越来越受欢送了，环形有利于电磁屏蔽，并且这
种空气的间隙分布也有利提高对电流的处理。

图4.屏蔽与非屏蔽电感的比拟

图5.自屏蔽的环形电感
当电流流经时，电感的温度会上升，交流纹波〔ACripple〕会导致磁芯损耗，而直流电流会导致感应系数
下降。稳态状况下直流电流Irms引起电感温度上升20-40摄氏度，这也是电感功耗的主要参考。另外，也有
将Irms归类成输出电流或开关模块的平均电流。功耗有两局部组成，已是由Irms局部计算的直流损耗P=I2R
和AC纹波电流引起的磁芯损耗。
磁芯损耗涉及到磁芯材料的选择和磁芯截面甚至纹波电流，开关频率和结合电路局部的感应系数。磁芯损
耗的计算在开关开闭期间是不一样的，但是根据经验，可以估算出相对准确的数值。

图2.电压通过电感时由于感应电动势的存在导致电压与电流相位相反。
由于铁氧体材料拥有高导磁率，因此相当容易让磁通量通过，这将可协助将磁通量维持在电感器的磁芯，
同时创造较小尺寸高磁性电感器的可能性。这亦可由上述的电感方程式分析出，采用相关磁芯物质，就可以使
用较小的截面积。
另外，设计者必须意识到电感的工作温度和环境温度的差异，这其中有个电感自身升温的差异。比方说电
感工作状态的温度设定在-40到125摄氏度之间，电感工作