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　　电感器是开关转换器中非常重要的元器件，如用于储能及功率滤波器。电感器的种类繁多，例如用于不同的应用（从低频到高频），或因铁芯材料不同而影响电感器的特性等等。用于开关转换器的电感器属于高频的磁性组件，然而因材料、工作条件（如电压与电流）、环境温度等种种因素，所呈现的特性和理论上差异很大。因此在电路设计时，除了电感值这个基本参数外，仍须考虑电感器的阻抗与交流电阻和频率的关系、铁芯损失及饱和电流特性等等。本文将介绍几种重要的电感铁芯材料及其特性，也引导电源工程师选择市售标准的电感器。

　　电感依铁芯形状不同有环型（toroidal）、E型（E core）及工字鼓型（drum）；依铁芯材质而言，主要有陶瓷芯（ceramic core）及两大软磁类，分别是铁氧体（ferrite）及粉末铁芯（metallic powder）等。依结构或封装方式不同有绕线式（wire wound）、多层式（multi-layer）及冲压式（molded），而绕线式又有非遮蔽式（non-shielded）、加磁胶之半遮蔽式（semi-shielded）及遮蔽式（shielded）等。

　　磁环电感的作用：磁环与连接电缆构成一个电感器(电缆中的导线在磁环上绕几圈作为电感线圈)，它是电子电路中常用的抗干扰元件，对于高频噪声有很好的屏蔽作用，故被称为吸收磁环，由于通常使用铁氧体材料制成，所以又称铁氧体磁环(简称磁环)。在图中，上面为一体式磁环，下面为带安装夹的磁环。磁环在不同的频率下有不同的阻抗特牲。一般在低频时阻抗很小，当信号频率升高后磁环的阻抗急剧变大。可见电感的作用如此之大，大家都知道，信号频率越高，越容易辐射出去，而一般的信号线都是没有屏蔽层的，这些信号线就成了很好的天线，接收周围环境中各种杂乱的高频信号，而这些信号叠加在原来传输的信号上，甚至会改变原来传输的有用信号，严重干扰电子设备的正常工作，因此降低电子设备的电磁干扰(EM)已经是必须考虑的问题。在磁环作用下，即使正常有用的信号顺利地通过，又能很好地抑制高频于扰信号，而且成本低廉。

　　锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率（relative permeability；μr），分别为约1500～15000及100～1000，其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而，缺点是其可耐受的饱和电流较低，且铁芯一旦饱和，磁导率会急遽下降，可参考图4所示铁氧体与粉末铁芯在铁芯饱和时磁导率下降趋势的比较。当用于功率电感时，会在主磁路留气隙（air gap），可降低磁导率、避免饱和及储存较多能量；含有气隙时的等效相对磁导率约可在20-200之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流（eddy current）造成的损耗，因此在高频时损失较低，较适用于高频变压器、EMI滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在（＞1 MHz），而锰锌铁氧体适用于较低的频段（＜2 MHz）

　　综合上述，铁芯饱和特性各有不同；一旦超过饱和电流，铁氧体铁芯的磁导率会陡降，而铁粉芯则可缓慢降低。图4所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。这也解释了铁氧体铁芯电感，因磁导率在铁芯饱和时骤降，由式（1）可知，也造成电感量骤降；而有分布式气隙的粉末铁芯，磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降，因此电感量也降低得比较缓和，即有较好的直流偏置特性。在电源转换器的应用中，此特性很重要；若电感的缓饱和特性不佳时，电感电流上升到达饱和电流，电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升，容易造成损坏。

　　电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数，但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下，以100 kHz或1 MHz所量得。且为确保大量自动化生产的可能性，电感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）与±30%（N）居多。图5为利用Wayne Kerr的LCR表量测Taiyo Yuden 电感NR4018T220M之电感－频率特性图，如图所示，在5 MHz之前电感值的曲线较为平坦，电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振，电感值会上升，此谐振频率称为自我谐振频率（self-resonant frequency；SRF），通常需远高于工作频率。

　　交流电阻ACR则因有集肤效应与邻近效应，而会造成ACR随频率增加；一般电感的应用，因交流成份远低于直流成份，所以ACR造成的影响并不明显；但是在轻载时，因为直流成份降低，ACR造成的损耗便不能忽略。集肤效应即在交流的条件下，导体内部电流分布不均匀而集中在导线的表面，造成等效导线截面积降低，进而使导线的等效电阻随频率提高。另外，在一个导线绕组中，相邻的导线会因电流造成磁场的相加减，使得电流集中在导线邻近的表面（或最远的表面，视电流方向而定），同样造成等效导线截面积降低，等效电阻提高的现象，即所谓的邻近效应；在一个多层绕组的电感应用里，邻近效应更是明显。

　　对于一个气隙铁氧体，以ISAT作为电路应用最大的电感电流上限点是合理的。但如果是铁粉芯，因为缓饱和特性，即便应用电路最大电流超过ISAT也不会发生问题，因此这种铁芯特性最适合开关转换器的应用。在重载时，虽然电感器之电感值较低，如图9，造成电流涟波因子较高，但现今的电容电流耐受度高，因此并不会成为问题。在轻载时，电感器之电感值较大，有助于降低电感的涟波电流，进而降低铁损。图9比较了TDK之绕线N及冲压式铁粉芯电感SPM6530T1R5M，在相同电感标称值下的饱和电流曲线、绕线式铁氧体与冲压式铁粉芯在相同电感标称值下的饱和电流曲线. 额定电流（IDC）

　　表2为参考TDK VLS6045EX系列（6.0x6.0x4.5mm）的data sheet，并计算出在温升40˚C时之热阻。显然相同系列及尺寸的电感，因表面散热面积一样，其计算所得之热阻也相差无几；换句话说，可以估算不同电感的额定电流IDC。不同系列（封装）的电感，其热阻也不同。表3即比较了TDK VLS6045EX系列（semi-shielded）及SPM6530系列（molded）之电感的热阻。热阻愈大，表示此电感流过负载电流时所产生的温升较高；反之则较低。

　　与此同时，基于电感值的变化率的额定电流是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定，超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致IC控制不稳定。此外，根据电感器的磁路构造的不同，磁饱和的倾向（即电感值的下降倾向）有所不同。图1是表示不同磁路构造所导致的电感值的变化的示意图。对于开磁路类型，随着直流电流的增加，到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值，但以规定电流值为境界电感值急剧下降。相反，闭磁路类型随着直流电流的增加，透磁率的数值逐渐减少，因此电感值缓慢下降。

　　目前有相当部分叠层功率电感生产厂家对其产品额定电流规格都是沿用传统信号滤波处理用叠层电感额定电流标准来定义，其根据电感的温升电流值来定义其额定工作电流。这种情况下产品设计工程师往往会按照传统功率电感选型经验并根据供应商电感规格书上定义的额定电流值来衡量其实际电路中的额定工作电流，这样一来很可能会导致因电感饱和电流低于电路的实际工作电流，会存在如下隐患：A). 电感实际工作时因电流过大导致饱和，引起电感量下降幅度过大造成电流纹波超出后级电路最大允许规格范围造成电路干扰，从而无法正常工作甚至损坏；

　　铁芯损失，简称铁损，主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」；若导电率高，即电阻率低，涡流损就高，如铁氧体的电阻率高，其涡流损就相对的低。涡流损也与频率有关，频率愈高，涡流损愈大，因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言，铁粉芯的工作频率可到1MHz，而铁氧体的工作频率则可到10MHz。若工作频率超过此频率，则涡流损会快速增加，铁芯温度也会提高。然而，随着铁芯材料日新月异，更高工作频率的铁芯应是指日可待。

　　铁氧体电感的封装结构有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式、与遮蔽式，而不论哪一种都存在相当的空气隙。显然此空气隙会有漏磁发生，且最坏的情况是会干扰周遭之小信号电路，或者，如果附近有导磁材料，其电感值也因此被改变。另一种封装结构为冲压式铁粉电感，由于电感内部没有间隙，且绕组结构扎实，因此磁场散逸问题较小。图10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量测冲压式电感上方及侧边3mm处之漏磁场大小。表4列出不同封装结构电感的漏磁场大小比较，可看出非遮蔽式（non-shielded）电感之漏磁最严重；冲压式（molded）电感的漏磁最小，显示其磁遮蔽效果最好。这两种结构的电感之漏磁场大小相差约14dB，也就是将近5倍。

　　在一些应用当中，有时PCB上会有多组直流转换器，通常会相邻排列，且其对应之电感器也会相邻排列的情况，如果使用非遮蔽式或加磁胶之半遮蔽式的电感器，可能会相互耦合，形成EMI干扰。因此，在放置电感时，建议先标注电感的极性，将电感最内层之起绕点接到转换器之切换电压，如降压转换器的VSW，即动点，而将电感之外层出线端接到输出电容，即静点；铜线绕阻也因此如同形成一定程度的电场遮蔽。在多路转换器的布线安排中，固定电感的极性，有助于固定互感的大小，避免一些意想不到的EMI问题。

　　耐焊性可能造成的问题是有时小批量手工焊时，电路性能全部合格（此时片感未整体加热，感量上升小）。但大批量贴片时，发现有部分电路性能下降。这可能是由于过回流焊后，片感感量会上升，影响了线路的性能。在对片感感量精度要求较严格的地方（如信号接收发射电路），应加大对片感耐焊性的关注。检测方法：先测量片感在常温时的感量值，再将片感浸入熔化的焊锡罐里10秒钟左右，取出。待片感彻底冷却后，测量片感新的感量值。感量增大的百分比既为该片感的耐焊性大小

　　对于开关电源而言，如果整流桥后的储能滤波大电容为理想电容，即等效串联电阻为零（忽略所有电容寄生参数），则输入到电源的所有可能的差模噪声源都会被该电容完全旁路或解耦，可是大容量电容的等效串联电阻并非为零。因此，输入电容的等效串联电阻是从差模噪声发生器看进去的阻抗Zdm的主要部分。输入电容除了承受从电源线流入的工作电流外，还要提供开关管所需的高频脉冲电流，但无论如何，电流流经电阻必然产生压降，如电容的等效串联电阻，所以输入滤波电容两端会出现高频电压纹波，高频高压纹波就是来自于差模电流。它基本上是一个电压源（由等效串联电阻导致的）。理论上，整流桥导通时，该高频纹波噪声应该仅出现在整流桥输入侧。事实上，整流桥关断时，噪声会通过整流桥二极管的寄生电容泄露。

　　既然是用电感来抑制共模信号，那么这肯定和磁场相关。先来介绍通电螺线感，产生的磁场的方向（对于项目应用而言，有些场合比如抑制共模信号而言，不太需要定量的计算，电感产生的磁场以及磁通量的大小，感兴趣的童鞋，这里推荐一本书可以参考，开关电源中磁性元器件赵修科老师）。对于通电螺线管的磁场方向判断方法为，右手握住螺管，四指指向电流方向，则拇指指向就是磁场方向。接下来介绍一个重要的名词，即磁通。垂直通过一个截面的磁力线总量称为该截面的磁通量，简称磁通。磁力线是通电螺线管产生的，是实际存在的，只是看不见也摸不着，磁力线是一个闭和的回路，对于通电螺线管，磁力线都要经过螺线管内部，磁力线是与磁感应强度B成正比的。如图3所示为通电螺线管产生磁力线的示意图。

　　相对而言，环形磁芯比较便宜，因为环形只有一个就可制作。而其他形状的磁芯必须有一对才能为共模电感所用，且在成型时，考虑两磁芯的配对问题，还须增加研磨工序才能得到较高的磁导率，对于环形磁芯却不需如此；与其它形状磁芯相比环形磁芯有较高的有效磁导率，因为两配对磁芯在装配时，无论怎样作业都不可消除气隙的现象，故有效磁导率比单一封闭形磁芯要低。但环形磁芯绕线成本较高，因其他形状磁芯有一配套线架在使用，绕线可以机器作业，而环形磁芯只可以手工作业或机器（速度较低）作业；且磁环孔径小，机器难以穿线，需要人工去绕，费时费力，加工成本高，效率低；安装不便，若是加底座，则成本会上升。综合性能比起来，磁环性能较好，价格也较高。因为成本的因素，磁环大多用在大功率

　　如式（5）所示，电感值及转换器之开关频率都会影响电感涟波电流（ΔiL）。电感涟波电流会流经输出电容，影响输出电容的涟波电流，也因此会影响输出电容的选择，并进而影响输出电压的涟波大小。再者，电感值与输出电容值亦会影响系统之回授设计及负载动态响应。选用较大的电感值，对于电容的电流应力较小，也有利于降低输出电压涟波，且可储存较多能量，然而电感值大就表示其体积大，亦即成本较高。因此，在设计转换器时，电感值的设计就非常重要。

　　表5所列为可选用之TDK不同系列的电感，尺寸相近但封装结构不同。从表中可知，冲压式电感（SPM6530T-1R5M）的饱和电流及额定电流大，且热阻小、散热佳。另外，根据前章之探讨，冲压式电感的铁芯材质属于铁粉芯，因此相较于加磁胶之半遮蔽式（VLS6045EX-1R5N）及遮蔽式（SLF7055T-1R5N）电感的铁氧体铁芯，具有较好的直流偏置特性。图11为不同电感应用于RT7276先进恒定导通时间之同步整流降压转换器的效率比较，结果显示三者之效率差异并不大。而若考虑散热、直流偏置特性及磁场散逸问题，建议选用SPM6530T-1R5M电感。