超低功率或許超高功率開關(guān)電源|穩(wěn)壓器的電感，并不象一樣平常開關(guān)電源那樣輕易抉擇。今朝慣例的電感都是為一些支流計劃所制作，并不能很好地滿意一些特別計劃。本文重要評論辯論超低功率、超高效力Buck電路的電感抉擇成績。典范利用實例便是小體積電池長期供電裝備。在這類電路中，讓工程師覺得辣手的成績主假如電池容量（本錢與體積）與Buck電路體積、效力之間的抵觸。為了減小開關(guān)電源的體積，最佳抉擇盡量高的開關(guān)頻率。然則開關(guān)消耗和輸入電感的消耗會跟著開關(guān)頻率的進步而增大，而且很有能夠成為影響效力的重要身分，恰是這些抵觸大大進步了電路計劃的難度。

　　Buck電路的電感請求

　　對工程師而言，鐵磁性元件（電感）能夠是最先打仗的非線性器件。然則依據(jù)制作商供給的數(shù)據(jù)，很難猜測電感在高頻時的消耗。由于制作商平日只供給諸如開路電感、事情電流、飽和電流、直流電阻和自激頻率等參數(shù)。對付大部分開關(guān)電源計劃來講，這些參數(shù)曾經(jīng)足夠了，而且依據(jù)這些參數(shù)抉擇適合的電感也異常輕易。然則，對付超低電流、超高頻率開關(guān)電源來講，電感磁芯的非線性參數(shù)對頻率異常敏感，其次，頻率也決定了線圈消耗。

　　對付通俗開關(guān)電源，相對付直流I2R消耗來講，磁芯消耗險些能夠疏忽不計。以是平日情況下，除“自激頻率“這個與頻率無關(guān)的參數(shù)外，電感險些沒有其余與頻率相干的參數(shù)。然則，對付超低功率、超高頻率體系（電池供電裝備），這些高頻消耗（磁芯消耗和線圈消耗）平日會遠遠大于直流消耗。

　　線圈消耗包含直流I2R消耗和交換消耗。此中，交換消耗主假如由于趨膚效應(yīng)和附近效應(yīng)所招致。趨膚效應(yīng)是指跟著頻率的進步挪動的電荷愈來愈趨于導(dǎo)體外面活動，相當于減小了導(dǎo)體導(dǎo)電的橫截面積，進步了交換阻抗。好比：在2MHz頻率，導(dǎo)體導(dǎo)電深度（從導(dǎo)體外面垂直向下）也許只要0.00464厘米。這就招致電流密度低落到本來的1/e （也許0.37）。附近效應(yīng)是指電流在電感相鄰導(dǎo)線所發(fā)生的磁場會相互影響，從而招致所謂的“擁擠電流”，也會進步交換阻抗。對付趨膚效應(yīng)，能夠經(jīng)由進程多芯電線（統(tǒng)一根導(dǎo)線內(nèi)含多根細導(dǎo)線）過度減緩。對付那些交換電流紋波遠小于直流電流的電路，多芯電線能夠有用低落電感的總消耗。

　　磁芯消耗主假如由于磁滯征象和磁芯外部傳導(dǎo)率或其余非線性參數(shù)的互感發(fā)生。在Buck拓撲布局中，第一象限的B-H磁滯回線對磁芯消耗影響最大。在第一象限這個部分圖中，磁滯回線表現(xiàn)了電感從初始電感量過渡到峰值電感量再回到初始電感量的進程。假如開關(guān)電源穩(wěn)固事情在不持續(xù)狀況，磁滯回線會從殘剩電感量（Br）過渡到峰值電感量（參考圖1）。假如開關(guān)電源事情在持續(xù)狀況，那末磁滯回線將會從直流偏置點上升到曲線峰值，再回到直流偏置點。經(jīng)由進程試驗?zāi)軌蚩隙ù艤鼐€的準確曲線外形（基本上是橢圓曲線）。

　　圖1 某Buck電路電感B-P磁滯回線

　　大部分磁芯由粉狀磁性材料和陶瓷等粘合材料構(gòu)成。一個未使用過的磁芯可以簡單地想象成由一層薄薄的粘合材料包裹、彼此獨立、具有隨機方向性的大量磁針。由于目前還沒有能夠很好解釋磁芯損耗的統(tǒng)一模型，所以采用上述這個經(jīng)驗?zāi)Ｐ徒忉尨判緭p耗，在本文最后的參考文獻中有更深入的磁芯模型，供讀者參考。

　　磁性方向近似的鄰近磁針會互相影響，從而形成“聯(lián)盟”。雖然這些磁針由粘合材料包裹，物理上彼此獨立，但它們之間的磁場是相互關(guān)聯(lián)的。我們稱這些“聯(lián)盟”為“單元”。而單元的邊界就是內(nèi)部“聯(lián)盟”與外部磁針的分割面。在單元的邊界外的磁針比較難與邊界內(nèi)的“聯(lián)盟”聯(lián)合。我們稱這些邊界為“單元壁”，這個模型常用來解釋磁芯的許多基本參數(shù)。

　　在對磁芯施加磁場時（對線圈施加電流），方向不同的單元相互之間相關(guān)聯(lián)。當足夠強的電流形成外加磁場時，那些靠近線圈的單元所處的磁場更強，會首先形成聯(lián)合（更大的單元）。而此時處在深一層的單元還未受到磁場的影響。聯(lián)合起來的單元與未受到影響的單元之間的單元壁會在磁場的作用下，持續(xù)向磁芯中心移動。如果線圈中的電流不撤銷或翻轉(zhuǎn)的話，整個磁芯都將會聯(lián)合在一起。整個磁芯的磁針聯(lián)合在一起，我們稱為“飽和”。電感制造商給出的B-H磁滯回線正表示磁芯從被磁化的初始階段到飽和階段的過程。如果將電流減弱，那么單元就會向自由的初始態(tài)轉(zhuǎn)變，但是有些單元會繼續(xù)保持聯(lián)合的狀態(tài)。這種不完全的轉(zhuǎn)化就是剩磁（可以在磁滯回線中看出）。這種剩磁現(xiàn)象就會在下一次單元結(jié)合時體現(xiàn)為應(yīng)力，導(dǎo)致磁芯損耗。

　　每個周期內(nèi)的磁滯損耗為：

　　WH=mH×dI

　　式中積分為磁滯回線中的包羅面積，磁芯從初始電感量到峰值電感量，再回到初始電感量的整個過程。而在開關(guān)頻率為F時的能量損耗為：

　　PH = F×mH×dI

　　計算這些交流損耗看起來似乎容易。但是在高頻、中等通流密度下，情況將異常復(fù)雜。每個電路都存在一些對磁芯損耗有影響的參數(shù)，而這些參數(shù)一般都很難量化。比如：離散電容、pcb布局、驅(qū)動電壓、脈沖寬度、負載狀態(tài)、輸入輸出電壓等。不幸的是，磁芯損耗受這些參數(shù)影響很嚴重。

　　每個磁芯材料都有能導(dǎo)致?lián)p耗的非線性電導(dǎo)率。正是這個電導(dǎo)率，會由于外加磁場而在磁芯內(nèi)部誘發(fā)會產(chǎn)生損耗 “渦電流”。在恒定磁通量下，磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其中指數(shù)n會隨磁芯材料以及制造工藝不同而不同。通常的電感制造商會通過磁芯損耗曲線擬合出經(jīng)驗的近似公式。
 

　電感參數(shù)

　　磁感應(yīng)強度B在正激開關(guān)電路中可以由下式表示：

　　Bpk = Eavg/（4×A×N×f）

　　式中Bpk為尖峰交流通流密度（Teslas）;Eavg為每半周期平均交流電壓;A為磁芯橫截面積（平方米）;N為線圈匝數(shù);f為頻率（赫茲）。

　　一般來講，磁性材料制造商會評估磁芯的額定電感系數(shù)－AL。通過AL可以很容易的計算出電感量。

　　L = N2AL

　　其中AL與磁性材料的摻雜度成正比，也與磁芯的橫截面積除以磁路長度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率，單位為瓦特/立方米。其與制造材料與制造工藝息息相關(guān)。

　　磁芯損耗測試設(shè)備

　　測試電感性能的最有效方法就是將被測試電感放置在最終開關(guān)電源電路上，然后對此電路的效率進行測量。但是，這種測試方法需要有最終電路，不易采用?，F(xiàn)在，有一種相對簡單的測試方法，可以在設(shè)計開關(guān)電源前對電感的磁芯損耗進行測試（在其設(shè)定的開關(guān)頻點上）。首先，將磁芯串連放置在低損耗電容介質(zhì)上（比如鍍銀云母）。然后，用一系列共振模驅(qū)動。其中介質(zhì)的電容值需要與被測電感的開關(guān)頻率一致。最后采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成整個測試過程（信號發(fā)生器加上一個射頻伏特計或者功率計也可以完成測試）。測試設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　圖2 測試測試剖面圖

　　在諧振點，低損耗的磁芯可以看成L-C共振回路。此時損耗可以等效為一個純阻元件（包括線圈損耗和磁芯損耗）。在上面的測試設(shè)備中，端子A和R都連接著50Ω電阻。此設(shè)備的開路（不包括電感）等效為150Ω負載的振蕩器。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上可以表示為：

　　20×Log（A/R） = 20×Log（50/150） = -9.54 dB

　　在這個測試電路中，諧振電容為2000pF，被測電感大概為2.5mH～2.8mH，測試頻率為1kHz。其中，磁性材料的滲透率是一個與頻率有關(guān)的非線性函數(shù)，在更高的頻點上，測試結(jié)果有可能不同。

　　磁芯損耗實驗數(shù)據(jù)

　　一個相對磁導(dǎo)率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯，外圍纏繞10/44的多芯電線16匝，另一個雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯，外圍纏繞10/44的多芯電線8匝。電感量測試值分別為2.75mHy 和 2.78mHy。第一個電感雖然是16匝，但是橫截面積是第二個電感的一半。在相同振幅信號的驅(qū)動下，這兩個電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω 和300Ω。相對的，另一個電感（2.5mHy）采用Micrometals公司的非常低的摻雜材料（羰基T25-6 ，相對磁導(dǎo)率為 8.5）。10/44多芯電線34匝。在同樣的驅(qū)動信號下，他的等效損耗電阻為22000Ω。

　　結(jié)語

　  對付低功耗開關(guān)電源的電感拔取有很多特別留意的地方。對付低功耗、高效率的開關(guān)電源計劃，一樣平常的器件材料或許選型表供給的參數(shù)是遠遠不敷的。平日的電感都是鐵氧體磁芯（非低消耗材料），勢必慢慢在低功率、高效率的利用中鐫汰。一種絕對簡略的電感消耗測試設(shè)備可以在計劃的頻點測試電感的消耗，比較分歧電感的機能。

　　當計劃必要拔取低消耗電感時，應(yīng)拔取低攙雜度材料來得到低的磁場強度參數(shù)-B。并抉擇低消耗的磁芯或斟酌采納多芯電線。而且，最佳采納芯片公司保舉的磁性元件，或許向業(yè)余的磁材料專家請教，以便可以滿足特定的需要。