09功率电感基本参数

目录

1、电感值（L）

2、阻抗（Z）

3、Q值与电阻

4、饱和电流（ISAT）

5、额定电流（IDC IRMS）

6、铁损（iron loss、core loss）

7、磁滞损耗（hysteresis loss）

8、涡流损耗（eddy current loss）

9、铜损（copper loss）

10、封装结构（shield structure）

11、耦合（coupling）

12、SRF

在设计开关转换器并挑选电感器时，电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR与Q值（quality factor）、额定电流IDC与ISAT、以及铁芯损失（core loss）等等重要的电气特性都必须考虑。此外，电感器的封装结构会影响漏磁大小，进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性，以作为选择电感器之考虑。

1、电感值（L）

        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。

图5、Taiyo Yuden NR4018T220M电感-频率特性之量测图

2、阻抗（Z）

        如图6，从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比（Z=2πfL），因此频率愈高，电抗会比交流电阻大很多，所以阻抗表现就如同纯电感（相位为90˚）。而再往高频，由于寄生电容效应，可以看到阻抗的自我谐振频率点，过了此点阻抗下降呈现电容性，且相位逐渐转为-90 ˚。

 图6、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之阻抗－频率特性

3、Q值与电阻

        Q值在电感的定义中为电抗与电阻的比值，也就是阻抗中虚数部分与实数部分的比，如下式：

        其中XL为电感器之电抗，RL为电感器之交流电阻。

        在低频段，交流电阻比电感造成的电抗大，所以其Q值很低；随着频率增加，电抗（约为2πfL）愈来愈大，即使电阻因集肤效应（skin effect）与邻近（proximity effect）效应愈来愈大，Q值仍随频率增加；在接近SRF时，电感抗逐渐为电容抗抵消，Q值又逐渐变小；在SRF时变为零，因电感抗与电容抗完全相消。图7为NR4018T220M之Q值与频率的关系图，其关系呈现倒钟形。

图7、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之Q值与频率的关系图

        在电感的应用频段里，Q值愈高愈好；表示其电抗远大于交流电阻。一般而言，Q值最好达到40以上，表示此电感的质量佳。然而，一般随直流偏置增加，电感值会下降，Q值也会降低。若采用扁平漆包线或多股漆包线，可以降低集肤效应，即交流电阻，也就可以提升电感的Q值。

直流电阻DCR

        一般多认为是铜线的直流电阻，此电阻可依线径与长度计算。然而大部分小电流SMD电感在绕线终端会用超音波焊接做SMD的铜片，但因为铜线长度不长，电阻值不高，因此焊接电阻常会占整体直流电阻相当的比例。以TDK之绕线式SMD电感CLF6045NIT-1R5N为例，其量测直流电阻为14.6mΩ，而依线径及长度计算之直流电阻为12.1mΩ。结果显示此焊接电阻约占整体直流电阻的17%。

        一般情况下：

        1、电感感值相同，尺寸越小，DCR越大。

        2、电感尺寸相同，感值越大，DCR越大。

        3、电感感值相同，有磁屏蔽的电感，DCR小于没有磁屏蔽的电感。

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。

        图8为绕线式SMD电感NR4018T220M的交流电阻与频率关系图。在频率为1kHz时，电阻约为360mΩ；到了100kHz，电阻上升到775mΩ；在10MHz时电阻值接近160Ω。在估算铜损时，其计算须考虑集肤与邻近效应造成的ACR，并修正成下式。

        IAC,i为某谐波频率的RMS电流，RAC,i为该频率下之交流电阻。

图8、NR4018T220M之交流电阻与频率关系图

4、饱和电流（ISAT）

        饱和电流ISAT一般是标注在电感值衰减如10%、30%或40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言，因其饱和电流特性非常急遽，10%与40%相差不大，可参考图4。但如果是铁粉芯（如冲压式电感），饱和曲线比较缓和，如图9，电感衰减10%或40%的偏置电流相差很多，因此就饱和电流值，二种铁芯将分开探讨如下。

        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之绕线式铁氧体SLF7055T1R5N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。

图9、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 ——红色是冲压式铁粉电感 蓝色为绕线式铁氧体

5、额定电流（IDC IRMS）

        IDC值为当电感温升为Tr˚C时的直流偏置。规格书同时标注其在20˚C的直流电阻值RDC。依铜导线的温度系数约为3,930 ppm，在Tr温升时，其电阻值为RDC_Tr = RDC（1+0.00393Tr），其功耗为PCU = I2DCxRDC。此铜损功耗在电感器表面散逸，可计算出电感的热阻ΘTH：

        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。

表2、VLS6045EX系列电感在温升40˚C时之热阻

        从表3可知，即使电感的尺寸相近，由于冲压式电感的热阻低，即散热较好。

表3、不同封装电感的热阻比较

6、铁损（iron loss、core loss）

        交流磁通量通过铁芯时，铁芯内产生的磁滞损耗与涡流损耗之和，是铁芯内产生的功率损耗的总称。

7、磁滞损耗（hysteresis loss）

        指磁滞现象造成的热损耗。绕磁滞回线（图-3）一圈后，铁芯的磁化将回到原来的状态。其间施加的能量将以热的形式释放。这就是磁滞损耗。

8、涡流损耗（eddy current loss）

        磁通量发生变化将会产生电流。磁通量穿过铁芯表面时，将会产生垂直于磁通量的同心圆形电流。这就是涡流，在铁芯的电阻的作用下，涡流将会转变成热量，造成能量损耗。损失的能量叫作涡流损耗。

9、铜损（copper loss）

        电线缠绕成线圈后，在其电阻的作用下，电流转变成热量所造成的损耗，叫作铜损。这个称谓是因绕线材料使用铜线而得名。

10、封装结构（shield structure）

        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。

图10、冲压式电感上方及侧边3mm处之所量测之漏磁场大小

表4、不同封装结构电感之漏磁场大小比较

11、耦合（coupling）

        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。

12、SRF

        自谐振频率，因为电感寄生电容的存在，会发生LC振荡，同电容一样，只有在特定的频率下，才能发挥电感的特性，按照经验值，SRF一般是信号频率的10倍，此时的电感特性发挥的比较好。