【應用筆記】如何高效率選出高能效的電感

在高頻 DC-DC 轉換器中，電感器過濾掉疊加在 DC 輸出上的紋波電流。無論轉換器是降壓，升壓，還是同時升降壓，電感器都會平滑紋波以提供直流輸出。當鐵損與銅損的組合損耗最低時，電感器效率最高。選擇高感量的電感來平滑紋波電流實現(xiàn)效率最高，即損耗最佳，需要確保在通過工作電流時，電感器不能磁芯飽和，也不能繞組過熱。本文介紹了如何評估電感器的損耗，以及高效率電感器的設計與快速選型方法。

電感器的損耗評估

評估電感器的鐵損和銅損是相當復雜的。鐵損通常取決于如下的幾個因素，如紋波電流值、開關頻率、磁芯材料、磁芯參數(shù)和繞組匝數(shù)。電路的紋波電流和開關頻率取決于應用，而磁芯材料、磁芯參數(shù)和匝數(shù)則取決于電感。

評估鐵損最常用的方程是 Steinmetz 方程：

其中：

Pvc = 磁芯單位體積功率損耗

K， x， y = 磁芯材料常數(shù)

f  = 開關頻率

B = 磁通量密度

該方程表明，磁芯損耗（鐵損）取決于頻率(f)和磁通量密度(B)。磁通量密度取決于紋波電流，因此兩者都是應用相關變量。鐵損與電感本身有關，其中磁芯材料決定了 K、x 和 y 常數(shù)。磁通量密度也是由磁芯有效面積(Ae)和匝數(shù)(N)共同確定的，因此鐵損既取決于應用，也取決于電感本身。

相比之下，直流銅損的計算就比較容易：

其中

Pdc = 直流損耗(W)

Idc = 電感的有效值電流(rms)

DCR =電感繞組的直流電阻

交流銅損評估相對復雜，交流銅損會因集膚效應和鄰近效應而導致的高頻交流電阻增加而增加。ESR(等效串聯(lián)電阻)或 ACR(交流電阻)曲線可能顯示較高頻率下的一些電阻增加，但是曲線通常是在非常低的電流水平下測量出來的，因此該損耗不包含紋波電流帶來的鐵損，這是個容易誤解的地方。

例如，圖 1 所示的ESR-頻率曲線

圖 1. ESR 與頻率的關系

根據(jù)上圖，1MHz以上的等效串聯(lián)電阻非常高。在這個頻率段以上使用該電感的話，銅損非常高，因此在這個頻率段以上的應用不該選用這個電感。但是在實際的應用中，電感的實際損耗比這個曲線展示的損耗要低得多。

請考慮以下示例：

假設轉換器的輸出為0.4 A、5 V（2.0W） ；開關頻率為200kHz。選用一個10μH的科達嘉電感，其典型ESR與頻率的關系如圖 1 所示。在200kHz的工作頻率下ESR約為0.8Ω。

對于降壓轉換器，平均電感電流等于負載電流 0.4 A。我們可以計算電感中的損耗：

0.128W÷(2.0+0.128)W =6.0% (電感器需要消耗輸入功率的6%)

但是，如果我們以4 MHz運行相同的轉換器，我們可以從 ESR 曲線中看到 R 在11Ω左右。那么電感中的功率損耗應該是：

1.76W÷(2.0+1.76)W=46.8%(電感器需要消耗輸入功率的46.8%)

基于以上的計算，似乎不應該在這個頻率及以上頻率段選用該電感。

但是在實際應用中，轉換器的效率要比根據(jù)ESR-頻率曲線計算出的效率好得多。原因如下：

圖 2 簡化版本降壓轉換器電流波形，連續(xù)模式，紋波電流較小。

圖 2.  簡化版本降壓轉換器電流波形

假設I p-p(紋波電流峰峰值)約為平均電流的 10%，則：

I直流 = 0.4 A

I p-p = 0.04 A

為了準確評估電感的損耗，必須將其分低頻損耗（直流損耗）與高頻損耗兩部分。

低頻電阻（實際上是 DCR），讀圖約為 0.7 Ω。電流是負載電流加上紋波電流的 rms 值。紋波電流很小，有效電流等于直流負載電流。

高頻損耗中，即電感紋波電流計算，R是ESR(200kHz)，而I僅是紋波電流的有效值(rms)：

在 200 kHz 時，交流損耗為：

因此，在 200 kHz 時，預測總電感損耗為 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W。

在 200 kHz 下工作時預測的損耗僅比 DCR 預測的略高（小于 1%）。

計算一下 4 MHz 的損耗。低頻損耗仍然是相同的 0.112 W。

交流損耗計算必須使用ESR，之前估計為 11 歐姆：

因此，4 MHz 時的總電感損耗為0.112 W + 0.00147 W = 0.11347 W。

這個就更為明顯了，預測損耗比DCR損耗高約 1.3%，遠低于此前預測的1.76 W。此外，在 4 MHz 時不會使用與 200 kHz 時相同的電感值，將使用更小的電感值，電感的DCR也會更小。

高效率電感器設計

對于紋波電流相對于負載電流較小的連續(xù)電流模式轉換器，合理計算損耗必須通過DCR和ESR的組合來計算。另外，ESR 曲線計算的損耗是不包含鐵損。銅損與鐵損共同決定電感的效率?？七_嘉通過選擇低損耗材料和設計總損耗最小的電感器來優(yōu)化電感器效率。使用扁平線繞組可以在限定尺寸中提供最低的DCR，減少銅損。改進磁芯材料可以減低高頻下的鐵損，從而提高了電感的整體效率。

例如，科達嘉 CSEG 系列一體成型功率電感針對高頻、高峰值電流應用進行了優(yōu)化。這些電感具有軟飽和特性，同時在 200kHz 或更高頻率下具有最低的 AC 損耗和更低的 DCR。

圖3顯示了 CSBL、CSBX、CSEC和CSEB 系列中 3.8/3.3 μH 值的電感與電流特性。CSBL、CSBX、CSEC 和 CSEB 系列顯然是將電感保持在12A或更高電流的最佳選擇。

表 1.比較 CSBL、CSBX、CSEC和CSEB的 DCR 和 Isat。

比較了電感在 200KHz 時的交流損耗和總損耗，CSEB 采用超越以往所有設計的創(chuàng)新結構，實現(xiàn)了最低的直流和交流損耗。這使得 CSEB 系列成為高頻電源轉換器應用的最佳選擇，這些應用必須承受高峰值電流和最低的直流和交流損耗。

圖3. 比較CSBL、CSBX、CSEC和CSEB系列3.8/3.3μH的飽和電流曲線與溫升電流曲線

圖 4. 比較CSBL、CSBX、CSEC和CSEB 200KHz 時的交流損耗和總損耗

電感快速選型工具

為了加快工程師選擇電感器的過程，科達嘉開發(fā)了選型工具，可以針對每種可能的應用條件計算基于測量的磁芯和繞組損耗。這些工具的結果包括電流相關和頻率相關的磁芯和繞組損耗，無需請求專有的電感器設計信息，如磁芯材料、Ae和匝數(shù)，也無需進行手動計算。

科達嘉選型工具根據(jù)工作條件如輸入輸出電壓、開關頻率、平均電流、紋波電流以計算出電感值。將此信息輸入我們的功率電感選型工具，以篩選出可能滿足這些要求的電感器，列出每個電感器的電感值、直流電阻、飽和電流、溫升電流、工作溫度等信息。

如已知道應用所需的電感值和額定電流，則可以直接在功率電感選型器中輸入此信息。結果顯示出每個電感的磁芯和繞組損耗和飽和電流額定值，以驗證在應用的峰值電流條件下，電感是否仍接近設計要求。

該工具還可用于繪制電感與電流行為的關系圖，以比較各類型電感區(qū)別、優(yōu)劣勢，可以先按總損耗對結果進行排序。將所有電感信息（最多四個）放在一個圖表中并排序，有助于進行此類分析，從而可以選擇出效率最高的電感。

計算總損耗可能很復雜，但這些計算內置于科達嘉選型工具中，使選擇、比較和分析盡可能簡單，可以更高效選擇到高能效的電感

【參考資料】：

科達嘉網(wǎng)站：DC/DC轉換器電感器選擇 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com)

科達嘉網(wǎng)站：功率電感搜索 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com)

科達嘉網(wǎng)站：功率電感損耗對比 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com)