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(jiǎn)稱(chēng)，又稱(chēng)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?jī)?chǔ)存和低電阻等特性。一般電子線(xiàn)路中的電感是空心線(xiàn)圈，或帶有磁芯的線(xiàn)圈，只能通過(guò)較小的電流，承受較低的電壓;而功率電感也有空心線(xiàn)圈的，也有帶磁芯的，主要特點(diǎn)是用粗導(dǎo)線(xiàn)繞制，可承受數(shù)十安，數(shù)百，數(shù)千，甚至于數(shù)萬(wàn)安。

1.什么是功率電感器

線(xiàn)圈是呈螺旋狀的電極的總稱(chēng)。其中，用于電氣用途線(xiàn)圈被稱(chēng)為電感器，并且可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是用于信號(hào)系統(tǒng)的RF電感器，另一類(lèi)是用于電源系統(tǒng)的功率電感器。本文中說(shuō)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(shuō)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(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器式電路中使用。圖1為開(kāi)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(wú)法正確整流。

圖1降壓型開(kāi)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(lèi)，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(guò)圖2所示的三角波電流。一般來(lái)說(shuō)，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?br />

圖2功率電感器中通過(guò)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(lèi)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(guò)的直流電流超過(guò)該值時(shí)，無(wú)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(guò)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(chēng)為直流疊加特性。直流疊加額定電流規(guī)定了電感相對(duì)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(guò)該范圍使用，會(huì)導(dǎo)致元件損壞或組件故障。一般來(lái)說(shuō)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(guò)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(xiàn)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(guò)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(guò)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(mǎn)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。

公式2

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(lái)，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的電感器。

3.功率電感器的類(lèi)型

3.1金屬合金繞線(xiàn)型

金屬合金繞線(xiàn)型是采用繞線(xiàn)和涂布了樹(shù)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(lái)，DC-DC轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)速度不斷提高，低電感需求日益增加，金屬合金繞線(xiàn)型在大部分市場(chǎng)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?xún)?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(chǎng)涵蓋廣泛領(lǐng)域，包括汽車(chē)、智能手機(jī)、HDD等等。

圖5金屬合金繞線(xiàn)型的結(jié)構(gòu)與外觀

金屬合金繞線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)。

圖6金屬合金繞線(xiàn)型的截面圖

3.2鐵氧體繞線(xiàn)型

鐵氧體繞線(xiàn)型電感器是將銅絲在鐵氧體芯部盤(pán)繞成螺旋狀。村田的大多數(shù)鐵氧體繞線(xiàn)型，都在鐵氧體芯部盤(pán)繞的銅絲上涂布了磁性樹(shù)脂。樹(shù)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(xiàn)型有利。目標(biāo)市場(chǎng)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(xiàn)型結(jié)構(gòu)與外觀

鐵氧體繞線(xiàn)型技術(shù)、包括鐵氧體材料和磁性樹(shù)脂材料技術(shù)、鐵氧體芯形成技術(shù)以及從細(xì)線(xiàn)到粗線(xiàn)對(duì)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(lèi)繁多和廣泛的電感產(chǎn)品。

圖8鐵氧體繞線(xiàn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)相比，可以實(shí)現(xiàn)小型化、薄型化。對(duì)于小型低電感需求，使用金屬合金繞線(xiàn)型的情況日益增加，小型大L、高耐壓領(lǐng)域越來(lái)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(wú)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(xiàn)。

圖10鐵氧體多層型的截面圖

4.功率電感器的常見(jiàn)問(wèn)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(chēng)為“開(kāi)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(méi)有功能極性，并且它們?cè)谌我环较蛏系淖饔孟嗤Ｒ虼耍瑯O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(wú)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(xiàn)圈，當(dāng)電流從左向右流入線(xiàn)圈時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生順時(shí)針?lè)较虻拇艌?chǎng)。

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(duì)于純電感器，P=V*I*cos(θ)不再有效。

結(jié)語(yǔ)

以上就是功率電感器分類(lèi)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(guò)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(guò)濾交流輸入中的EMI噪聲、過(guò)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(guò)濾基于特定類(lèi)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(guò)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。