如何为便携式体系挑选电容和电感元件(下)

挑选电感

为便携式电源运用挑选电感，需求考虑的最重要的三点是：尺度巨细、尺度巨细，第三仍是尺度巨细。移动电话的电路板面积非常紧俏宝贵，跟着MP3 播放器、电视和视频等各种功用被添加到电话中时，特别如此。功用添加也将添加电池的电流消耗量。因而，曾经一向由线性调节器供电或直接连接到电池上的模块需求功率更高的解决计划。完成更高功率解决计划的第一步是选用磁性降压转换器。正如其称号所暗示的，这时需求一个电感。

电感的首要标准除尺度巨细外，还有开关频率下的电感值、线圈的直流阻抗(DCR)、额外饱和电流、额外rms电流、沟通阻抗(ESR)以及Q因子。依据运用的不同，电感类型的挑选――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。

类似于电容中的直流偏置，厂商A的2.2μH电感或许与厂商B的彻底不同。在相关温度范围内电感值与直流电流的联系是一条非常重要的曲线，必需向厂商讨取。在这条曲线上可以查到额外饱和电流(I_SAT)。I_SAT一般界说为电感值降量为额外值的30%时的直流电流。某些电感出产商没有规则I_SAT。他们或许之给出了温度高于环境温度40 ?C时的直流电流。

DCR引起传导损耗，在输出电流较高时影响功率。ESR随作业频率的进步而添加，在输出电流较小时影响占主导地位的开关损耗。ESR与Q因子成正比。相同频率下，低ESR电感的Q因子更高。在电感满意一切其它标准时，为什么体系规划人员还应考虑ESR和Q因子呢？

当开关频率超越2MHz时，必需分外重视电感的沟通损耗。标准阐明书中列出比较的不同厂商的电感的I_SAT和DCR在开关频率下或许有极为不同的沟通阻抗，导致轻负载下明显的功率差异。这一点对进步便携式电源体系中电池的寿数至为重要，由于体系大部分的时刻是处于睡觉、待机或低功率形式下的。

由于电感出产厂商很少供给ESR和Q因子信息，规划人员应该自动向他们讨取。厂商给出的电感与电流联系也往往只限于25 ?C，故应该讨取作业温度范围内的相关数据。最坏状况一般是85^oC。

图3给出了各种电感的沟通阻抗与频率的联系。考虑一个降压转换器的比如，其标准参数如下：F_SW=2MHz，V_IN=5.5V，L=2.2 μH，V_OUT=1.5V，I=0 到600MA，ΔI=289MA (核算值)。

　　参见图3，2.2μH额外电感在低频下的DCR为0.2Ω，2MHz下的ESR为1Ω。电感引起的直流损耗和沟通损耗可用下式核算：

DC损耗=I²×DCR

AC损耗=(dΔI²)/12×ESR

　　由上式可知，输出电流较高时，低频或直流损耗占主导地位；输出电流较低时，沟通损耗占主导地位。ΔI是转换器的峰峰值纹波电流，在接连传导作业形式中，输出电流高和低时其起伏都相同。由数学核算可知，I=600MA时，电感整体损耗的91%是直流损耗；I=50mA时，电感整体损耗的93%是沟通损耗。

　　图4a (ESR) 和 4b (Q)给出了厂商A(低 ESR，高Q值)和厂商B(高ESR，低Q值)的电感，还显现了选用这些电感(图4c) 的2MHz转换器的功率曲线。从这些数据判别，即便厂商A有较高的DCR，它也能在轻负载下供给更高的功率。

　　依据运用的不同，可以挑选屏蔽式或非屏蔽式电感器。一般来说，屏蔽式电感用于那些有必要满意严厉的EMI标准的便携式运用。

　　最终但绝非不重要的是，依照出产方式的不同，有两类电感器。第一类是传统的绕线线圈式(Wire Wound coil)电感，另一类是较新式的芯片电感。芯片电感凭其尺度和高度方面的优势运用正日益广泛。PCB装置时的装置速度也是芯片(多层)电感出产商大肆宣传的长处之一。在挑选开关解决计划时，体系规划人员有必要考虑到芯片电感的某些要害标准。电感和直流电流的联系随温度的改动是线圈式电感和芯片电感有明显不同的一个首要参数。图5显现了绕线线圈电感和芯片电感的横截面示意图。

　　从图6可看到，一般来说，线圈式电感的电感-直流电流及温度联系曲线在饱和电流之前很平整。在饱和电流之后，则随电流改动呈现急剧下降。典型地，I_SAT在85^oC 时比25 ^oC时要低10％到20%。

　　25 ^oC时，芯片电感有一个高于额外值的初始电感值。一旦电流增大，芯片电感就开端下降。因而，大多数状况下，额外I_SAT的界说不适用于芯片电感。规则了温度上升的额外rms电流也决议了芯片电感的额外电流。电感值随温度下降，不随直流电流下降，是芯片电感的另一个特性。

　　关于实践的电感值，体系规划人员有必要慎重挑选正确的电感，并依照标准阐明书找到最小的电感值。电感挑选不正确会影响到稳定性，引起次谐波振动(sub-harmonic oscillations)，和/或下降开关的额外输出电流。与陶瓷%&&&&&%的状况相同，规划人员应当首要重视实践作业状况中的电感值，而非额外电感值。

　　如何为磁性降压转换器挑选电感的额外电流呢？假如电感的额外I_RMS大于所需输出电流，最简单的办法是挑选额外值大于或等于开关的最大电流限值的I_SAT。不过，正如咱们在芯片电感中看到的，咱们有必要搜索满意稳定性和输出电流要求的最小电感值。挑选较高值的芯片电感(比如用3.3μH替代2.2μH) 来满意电感要求是不可行的，由于对相同外壳尺度的电感器，电感值越高，其下降就越剧烈。

　　此外，芯片电感厂商间存在着各种差异。例如，厂商A或许选用低浸透性资料，使电感值逐渐改动。但这种计划需求更多的介电层。因而，较之选用高浸透率资料、下降更剧烈的厂商B，A将有更高的DCR，B的DCR较低。

　　本文的意图是给出一些可以用于实践状况的相关信息，也向体系规划人员和元件收购工程师介绍了在元件挑选过程中，应该向元件出产商讨取的必要数据。

作者：Mathew Jacob，美国国家半导体公司运用工程司理，Email: mathew.jacob@nsc.com