手把手教你DCDC电源电感如何选型

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前言

由于工作岗位的缘故，本章是基于手机开关电源来进行简要讲解的，对于其他应用而言，基础理论、设计流程等是同样适用的。另外，本章融合了QC公司提供的设计文档和作者实测数据，因此更加具有工程实用性。

随着手机主板尺寸的不断缩小，其中的电源管理芯片（PMIC）集成度也越来越高，虽然开关电源的驱动电路都集成在芯片里了，但是对电感等外围电路的良好选型及设计仍能决定一个电路的成败。现实总满足不了人们的欲望，电池容量要越来越大，手机要越来越薄……这将促使主板不断减小，电源电路的电感当然首当其冲的要被缩小体积。那么问题来了，电感体积的减小，必将对电感的额定值、误差、自谐振频率f0、直流串联电阻DCR、饱和电流Isat以及额定电流Irms造成影响。接下来一起看看如何进行电感的选型设计吧！

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电感参数

电感额定值和误差

电感的额定值是在特定频率电流下测量的，误差则是实际电感值与额定电感值之差的百分比。在一个BUCK电路中，在给定的输出电压与开关频率下，电感的最小值可以通过以下公式确定。

其中，fsw为开关频率，Irpp为电感的纹波电流峰峰值。

看着上面的公式，大家可能会想这个Irpp该怎么确定呢？当Irpp较大时，那么输出电容需要有更低的ESR和更高的纹波电流值（考虑到输出纹波电压和电容的安全稳定）。如果Irpp较小，则根据公式，必然要增大电感值。因此，一个理想的折中就是使Irpp等于电源额定输出电流值的一半。那么上述的公式我们可以改写为：

同理，BOOST电源的电感求解公式如下：

到这里，你是不觉得万事俱备，打算收工了？别忘了我们的电感误差。假设电感误差为10%，那么我们所选的电感值应该大于1.1*Lmin，根据实际电感误差以此类推。举个栗子，某路BUCK额定电流2A，输出电压为1V，假设最高输入电压为4.4V（电池最高电压），开关频率为2M，所用电感误差为10%，那么计算得到Lmin=0.38uH，那么我们选择最近的标准值为0.47uH，一定要跟着小编动手算一遍哦。

自谐振频率f0

理想电感的阻抗随着信号频率的升高而变大，但由于寄生电容的存在，实际电感将会存在自谐振频率f0。当频率低于f0时，表现为电感特性，阻抗随频率升高而变大，当频率高于f0时，表现为电容特性，阻抗随频率的升高而减小。如图1展示了理想电感与实际电感的感值、阻抗与频率的关系。为了使我们的设计更加可靠，我们选用电感时，自谐振频率f0应该大于10倍的信号频率。另外需要注意的是，在一定的封装下，电感值越大，自谐振频率越小。

图1 电感自谐振频率

直流串联电阻DCR

由于绕线电阻的存在，实际电感的一项重要参数——DCR，这也是低频段电感的主要阻抗来源，这会在电感上造成损耗，影响电源的整体效率，DCR越大，效率越低。另外，电感值一定时，电感封装越小，DCR越大（绕线越细）；封装一定时，电感值越大，DCR越大（绕线越长）；电感值一定时，磁屏蔽电感的DCR要比非屏蔽的小。选型时尽量选择DCR较小的电感，当然也要综合应用和money来决定啦！

饱和电流Isat与有效值电流Irms

电感的饱和电流指电感的实际值将会下降一定比率时的电流，这通常是由于较大的电流使磁芯饱和导致的，这个比率一般在10%~30%，具体值手册中会给出来。比如手册中通常会给出如图2所示的电流与感值关系曲线，假设电感达到饱和电流时感值降低30%，那么从图中看出4.7uH电感下降30%时，Isat为0.9A。

图2 电感与电流关系曲线

有效值电流Irms也叫做温升电流，手册中通常是指使电感温度上升到40度的电流，Isat和Irms谁大谁小主要取决于电感是磁芯先饱和还是先达到温度的限制。

当电感电流达到饱和时，电感值会快速下降，由上述公式可知，Irpp将会增大，这会增大交流传导功耗；如果当电感电流峰值大于开关电源电路额定电流时，会导致电路不稳定；同时，较大的Irpp一定会增大输出电压纹波，降低系统性能。图3、图4是小编使用Isat为3.85A，但饱和电流下降率分别为25%和30%的电感测试的电流波形，我们可以看到在电流较大的情况下，电感下降的越厉害，Irpp越大。因此在电感的选择上，应该使Isat和Irms中的最小值至少比开关电源的额定电流大1.3倍（在手机这种小尺寸电路板中，小封装大电流的电感是很难找的，而且相对很贵。因此实际选用时，可以模拟该路电源工作在重载情况下，测试其最大电流，再来确定所选电感的电流）。

图3 3.85A、25%下降率下电感的Irpp

图4 3.85A、30%下降率下电感的Irpp

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电感的比较

我们在2.1的公式中给出了电感最小值的计算公式，那么同封装下是不是大于计算感值的电感随便选呢？当感值较小时，则电感具有更低了DCR、更小的功耗、更高的饱和电流以及更快速的瞬态响应。当感值较大时，则电感的Irpp更小，所以输出的纹波电压也更低，AC的传导损耗会减小；另外对于给定输出纹波的情况下，电感值增大，可以减小负载电容。如图5所示，在轻负载时，感值越大，效率越高；在重负载时，电感越大，效率越低。

图5 不同电感值的效率

绕线电感和叠层电感又有什么区别呢？一般，叠层电感相比绕线电感具有更小的体积；更低的DCR和AC损耗，所以在重负载、轻负载时效率都较高，如图6所示。

图6 绕线电感和叠层电感效率比较

需要注意的是，叠层电感具有更低的Isat，因此在电流稍大时，会增大输出纹波，降低系统的性能，因而电流较大的开关电源电路中一般都使用绕线电感（像手机几乎每路BUCK电源的额定电流都在2A以上，因此很少使用叠层电感）。

电感通常还分为带磁屏蔽框的和不带磁屏蔽框的，不带磁屏蔽框的电感体积小而且便宜，但是会给电路造成严重的EMI，所以在手机这种敏感的无线设备应用中还是选择带有磁屏蔽框的电感吧。

END

DCDC电路电源选型就讲解到这，欢迎评论区留言