解析电感上的DC电流效应

品慧电子讯在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的 DC 电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的 DC 电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。

理解电感的功能

电感常常被理解为开关电源输出端中的 LC 滤波电路中的 L（C 是其中的输出电容）。虽然这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。

在降压转换中（Fairchild 典型的开关控制器），电感的一端是连接到 DC 输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或 GND。

在状态 1 过程中，电感会通过（高边 “high-side”）MOSFET 连接到输入电压。在状态 2 过程中，电感连接到 GND。由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式实现电感接地：通过 二极管接地或通过（低边“low-side”）MOSFET 接地。如果是后一种方式，转换器就称为“同步（synchronus）”方式。

现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态 1 过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输 入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反，在状态 2 过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必 然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。

我们利用电感上电压计算公式：V=L(dI/dt)

因此，当电感上的电压为正时（状态 1），电感上的电流就会增加；当电感上的电压为负时（状态 2），电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图 2 所示：

通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为 DC 电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流：

其中，ton 是状态 1 的时间，T 是开关周期（开关频率的倒数），DC 为状态 1 的占空比。

警告：上面的计算是假设各元器件（MOSFET 上的导通压降，电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降）上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。

如果，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作精确计算：

同步转换电路：

异步转换电路：

其中，Rs 为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf 是肖特基二极管的正向压降。R 是 Rs 加 MOSFET 导通电阻，R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

通过已经计算的电感峰值电流，我们可以发现电感上产生了什么。很容易会知道，随着通过电感的电流增加，它的电感量会减小。这是由于磁芯材料的物理特性决 定的。电感量会减少多少就很重要了：如果电感量减小很多，转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到电感实效的程度，此时的电流称为“饱和电流”。这 也是电感的基本参数。

实际上，转换电路中的开关功率电感总会有一个“软”饱和度。要了解这个概念可以观察实际测量的电感 Vs DC 电流的曲线：

当电流增加到一定程度后，电感量就不会急剧下降了，这就称为“软”饱和特性。如果电流再增加，电感就会损坏了。

注意：电感量下降在很多类的电感中都会存在。例如：toroids，gapped E-cores 等。但是，rod core 电感就不会有这种变化。

有了这个软饱和的特性，我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规定在 DC 输出电流下的最小电感量；而且由于纹波电流的变化也不会严重影响电感量。在 所有的应用中都希望纹波电流尽量的小，因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心 DC 输出电流下的电感量，而会在 Spec 中忽略纹波电流 下的电感量。

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