功率電感是一個(gè)籠統(tǒng)的名詞，包括貼片功率電感和插件功率電感。功率電感一般是指電氣工程中用的，能承受大功率的電感器，如大型電機(jī)(AC)降壓起動(dòng)用的電感器(也叫電抗器)。功率電感是貼片電感(Chipinductors)的簡稱，又稱為大電流電感和表面貼裝高功率電感。具有小型化，高品質(zhì)，高能量儲(chǔ)存和低電阻等特性。一般電子線路中的電感是空心線圈，或帶有磁芯的線圈，只能通過較小的電流，承受較低的電壓;而功率電感也有空心線圈的，也有帶磁芯的，主要特點(diǎn)是用粗導(dǎo)線繞制，可承受數(shù)十安，數(shù)百，數(shù)千，甚至于數(shù)萬安。
1.什么是功率電感器
線圈是呈螺旋狀的電極的總稱。其中，用于電氣用途線圈被稱為電感器，并且可以分為兩類，一類是用于信號(hào)系統(tǒng)的RF電感器，另一類是用于電源系統(tǒng)的功率電感器。本文中說明的功率電感器，是在DC-DC轉(zhuǎn)換器等的電壓轉(zhuǎn)換電路中，構(gòu)成其一部分的元件。
下面說明功率電感器在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的作用。功率電感器被用于轉(zhuǎn)換為所需電壓的升壓、降壓，或者被用于升降壓電路。其中，主要在開關(guān)調(diào)節(jié)器式電路中使用。圖1為開關(guān)調(diào)節(jié)器式降壓電路。利用IC、功率電感器、電容器，將直流輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需的輸出電壓。功率電感器承擔(dān)的作用是與電容器配合，將從IC輸出的矩形波輸出轉(zhuǎn)換為直流只要缺少其中的任何一個(gè)，就無法正確整流。
圖1 降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器
2.功率電感器的基本特性
在選定功率電感器時(shí)，應(yīng)當(dāng)查看哪些參數(shù)呢?各制造商的功率電感器產(chǎn)品目錄上，主要記載了下列技術(shù)規(guī)格。例如，電感高的好還是低的好、需要多大的額定電流之類，因?yàn)楸仨毟鶕?jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作條件適當(dāng)?shù)剡x擇。下面詳細(xì)介紹功率電感器技術(shù)規(guī)格的看法。
2.1電感
電感值是影響紋波電流和負(fù)載響應(yīng)特性的一個(gè)非常重要的參數(shù)。DC-DC轉(zhuǎn)換器使用的功率電感器中通過圖2所示的三角波電流。一般來說，可將紋波電流⊿IL設(shè)置為負(fù)載電流Iout的30%左右。因此，只要知道DC-DC轉(zhuǎn)換器的條件，就能根據(jù)以下算式計(jì)算適當(dāng)?shù)墓β孰姼衅麟姼小?/div>
圖2 功率電感器中通過的電流波形
但是，在DC-DC轉(zhuǎn)換器上幾乎都記載了功率電感器的適當(dāng)電感值作為參考值。因此，即使不進(jìn)行上述算式之類的計(jì)算，也能按照制造商的參考值選定。
2.2額定電流
額定電流規(guī)定了電流值的上限，通過的直流電流超過該值時(shí)，無法保障質(zhì)量。功率電感器的額定電流有兩種，一種規(guī)定了直流疊加額定電流(Saturation)，另一種規(guī)定了溫升額定電流(Temperature)。各自具有重要含義，往往分別記載技術(shù)規(guī)格。
(1)直流疊加額定電流Isat
電感器的特性之一是直流疊加特性。為了獲取高電感，電感器的芯部(磁心)采用鐵氧體等磁性體材料。電流通過電感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生磁性體的磁飽和現(xiàn)象，電感會(huì)下降。將這種特性稱為直流疊加特性。直流疊加額定電流規(guī)定了電感相對于未疊加電流的初始特性下降一定比例時(shí)的電流值。
(2)溫升額定電流Itemp
這是以元件的發(fā)熱為指標(biāo)的額定電流規(guī)定，超過該范圍使用，會(huì)導(dǎo)致元件損壞或組件故障。一般來說是按溫度上升⊿40℃的電流值規(guī)定的。
作為功率電感器使用時(shí)，應(yīng)該如何決定這些額定電流。如圖3所示，電感器中最大通過Iout+⊿IL/2的電流。如果電流值在Isat以上，電感的下降就會(huì)增大，如圖4的紅線所示，三角波電流的形狀異常，紋波電流增加。由于紋波電流成為改變輸出電壓的因素，如果紋波電流增加，就會(huì)引起負(fù)載端系統(tǒng)動(dòng)作異常。因此，必須選定Isat在最大電流以上的產(chǎn)品。
至于溫升額定電流，即使超過額定值，電感器也不會(huì)馬上損壞。因此，應(yīng)以Itemp值在Iout以上為標(biāo)準(zhǔn)選定。
圖3 直流疊加特性引起的紋波電流變動(dòng)
2.3直流阻抗Rdc
表示通過直流電時(shí)的阻抗值。由于該阻抗值，因發(fā)熱而產(chǎn)生電力損耗，所以直流阻抗越小損耗越少。但是，減小Rdc與直流疊加特性、尺寸小型化等存在折衷關(guān)系。只要從上述的滿足電感、額定電流等必要特性的電感器當(dāng)中，選定Rdc更小的產(chǎn)品即可。
2.4工作范圍溫度
這是規(guī)定使用電感器時(shí)的環(huán)境溫度容許范圍的參數(shù)。溫度的影響因電路的工作環(huán)境而異，因此要設(shè)想實(shí)際使用環(huán)境后選定。下面看一下實(shí)際的DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率電感器選定示例。以圖5所示的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器為例。這里假設(shè)在下列條件下的情況。
圖4 降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器
根據(jù)以下算式，適當(dāng)電感的大小約為1.0μH。
同時(shí)，Iout=1.5A，⊿IL約為Iout的30%，即0.45A，因此最大電流為如下所示：
Iout+⊿IL/2=1.725A
如此一來，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的電感器。
3.功率電感器的類型
3.1金屬合金繞線型
金屬合金繞線型是采用繞線和涂布了樹脂的金屬磁性粉熱壓而成電感器。從大型產(chǎn)品到小型產(chǎn)品，可以適用于大電流領(lǐng)域。金屬磁性材料與后述的鐵氧體材相比，雖然透磁率較低，但卻具有出色的直流疊加特性，屬于適合大電流的材料。近年來，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)速度不斷提高，低電感需求日益增加，金屬合金繞線型在大部分市場逐漸成為主要商品。此外，金屬磁性材料還有一大特點(diǎn)，就是溫度特性優(yōu)于鐵氧體材料。導(dǎo)磁率受環(huán)境溫度的影響很小，因此在高溫時(shí)也能保持穩(wěn)定的直流疊加特性。目標(biāo)市場涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括汽車、智能手機(jī)、HDD等等。
圖5 金屬合金繞線型的結(jié)構(gòu)與外觀
金屬合金繞線型技術(shù)包括金屬磁性材料及其加工技術(shù)、采用了銅絲的繞線技術(shù)(圖6)。村田確立了自己的材料技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的繞線結(jié)構(gòu)、高導(dǎo)磁率及高絕緣性。依靠這些技術(shù)的融合，可以提高電感的獲取效率、降低直流阻抗，實(shí)現(xiàn)支持大電流的產(chǎn)品線。
圖6 金屬合金繞線型的截面圖
3.2鐵氧體繞線型
鐵氧體繞線型電感器是將銅絲在鐵氧體芯部盤繞成螺旋狀。村田的大多數(shù)鐵氧體繞線型，都在鐵氧體芯部盤繞的銅絲上涂布了磁性樹脂。樹脂涂層的目的是減少漏磁通，提高電感的獲取效率和強(qiáng)度。因?yàn)殍F氧體的導(dǎo)磁率很高，在高電感領(lǐng)域使用時(shí)，選擇鐵氧體繞線型有利。目標(biāo)市場涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括智能手機(jī)、TV、HDD等等。
圖7 鐵氧體繞線型結(jié)構(gòu)與外觀
鐵氧體繞線型技術(shù)、包括鐵氧體材料和磁性樹脂材料技術(shù)、鐵氧體芯形成技術(shù)以及從細(xì)線到粗線對應(yīng)的繞組技術(shù)(圖8)。將這些技術(shù)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了尺寸種類繁多和廣泛的電感產(chǎn)品。
圖8 鐵氧體繞線型的截面圖
3.3鐵氧體多層型
鐵氧體多層型電感器是將磁性材料與內(nèi)部電極交互疊加燒結(jié)而成的。與繞線結(jié)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)小型化、薄型化。對于小型低電感需求，使用金屬合金繞線型的情況日益增加，小型大L、高耐壓領(lǐng)域越來越需要鐵氧體多層型的特性。
圖9 鐵氧體多層型的結(jié)構(gòu)與外觀
鐵氧體多層型技術(shù)，包括鐵氧體材料技術(shù)、高縱橫比的內(nèi)部電極形成技術(shù)、電路設(shè)計(jì)技術(shù)、疊層技術(shù)(圖10)。用無法靠傳統(tǒng)的疊片實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部電極高縱橫比技術(shù)，可以進(jìn)一步降低阻抗。同時(shí)，依靠高自由度的磁路間隙形成技術(shù)，抑制磁飽和，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)異的直流疊加特性。依靠這些技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了支持需要小型化和薄型化領(lǐng)域的產(chǎn)品線。
圖10 鐵氧體多層型的截面圖
4.功率電感器的常見問題
4.1功率電感器有什么作用?
功率電感器用于升壓、降壓或升壓/降壓電路中，將一定電壓轉(zhuǎn)換為所需電壓。在這些不同的電路中，它主要用于一種稱為“開關(guān)穩(wěn)壓器”的電路。
4.2功率電感器有極性嗎?
與電容器或二極管不同，電感器沒有功能極性，并且它們在任一方向上的作用相同。因此，極性在絕大多數(shù)用途電路中并不重要。
4.3功率電感器是如何工作的?
電感器是一種無源電子元件，能夠以磁能的形式儲(chǔ)存電能。它是用一個(gè)導(dǎo)體繞成一個(gè)線圈，當(dāng)電流從左向右流入線圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針方向的磁場。
4.4功率電感器耗電嗎?
純電感器不會(huì)消耗或耗散任何實(shí)際或真實(shí)功率，但由于同時(shí)具有電壓和電流，因此在表達(dá)式中使用cos(θ)：對于純電感器，P=V*I*cos(θ)不再有效。
結(jié)語
以上就是功率電感器分類和特點(diǎn)的介紹了，各種功率電感器根據(jù)電源、大功率、表面貼裝電源(SMD)和大電流等技術(shù)特性用于特定應(yīng)用。在需要轉(zhuǎn)換電壓同時(shí)存儲(chǔ)能量和過濾EMI電流的應(yīng)用中，有必要使用SMD功率電感器。功率電感器三種主要用途是過濾交流輸入中的EMI噪聲、過濾低頻紋波電流噪聲以及在DC-DC轉(zhuǎn)換器中存儲(chǔ)能量，過濾基于特定類型功率電感器的屬性。由于可用的功率電感器范圍很廣，因此根據(jù)磁芯飽和并超過應(yīng)用的峰值電感器電流的電流進(jìn)行選擇非常重要。尺寸、幾何形狀、溫度容量和繞組特性在選擇中也起著關(guān)鍵作用。
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