电感的参数与选型

电感的参数与选型
时间：2010-08-28 01:32 来源：互联网作者：点击：匡］次
一、电感参数
我们首先看一下电感元件的主要参数。

见表1
表1电感元件的主要参数
主要参数定义说明
电感量L
电感量L也称作自感系
数，是表示电感兀件自感能
力的一种物理量
它表示线圈本身固有特性，与电流大小无关。

除专门
的电感线圈（色码电感）外，电感量一般不专门标志在线
圈上，而以特疋的名称标注
允许偏差
电感线圈电感量的允许
偏差
它取决于用途，用于谐振回路或滤波器中的线圈要求
精度较高；而一般用于耦合或作为阻流圈的线圈，要求精
度不咼。

例如，振荡回路的电感线圈，允许偏差为土
0.2%~± 0.5%;而高频阻流圈和耦合线圈，允许偏差为土
10%± 15%
感抗X L电感线圈对交流电流阻碍作
用的大小称感抗
X L 单位是欧［姆］。

它与电感量L和交流电频率f的关系为X t=2n fL
品质因素
Q
品质因素Q是表示线圈
质量的一个物理量
Q为感抗X L与其等效电阻的比值，即Q=X/R。

线圈
的Q值越高，回路的损耗越小。

线圈的Q值与导线的直流电阻、骨架的介质损耗、屏蔽罩或铁芯引起的损耗、高频趋肤效应的影响等因素有关。

线圈的值通常为几十到几百
分布电容
线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底板间存在的电容被称为分布电容
分布电容的存在使线圈的Q值减小，稳定性变差因而线圈的分布电容越小越好
直流电阻电感线圈自身的直流电
阻
可用万用电桥、数子万用表和欧姆表直接测得
额定电流通常疋扌曰允许长时间
通过电感元件的直流电流值
在选用电感元件时，若电路流过电流大于额定电流值，就需要改用额定电流符合要求的其他型号电感器
国半专家谈如何为便携式系统选择电感元件
设计人员在考虑无源器件时，他们想到的是电感电容的生产容限，一般为土20%
或土10%这在理论上是对的，但在实际应用中却不然。

本文介绍电容电感易受影响的一些参数以及系统设计人员必须了解的知识，并讨论如何为最小但最高效
的便携式电源系统解决方案选择外部元件
、选择电感
为便携式电源应用选择电感，需要考虑的最重要的三点是：尺寸大小、尺寸大小，第三还是尺寸大小。

移动电话的电路板面积十分紧俏珍贵，随着MP3 播放器、
电视和视频等各种功能被增加到电话中时，尤其如此。

功能增加也将增加电池的电流消耗量。

因此，以前一直由线性调节器供电或直接连接到电池上的模块需要效率更高的解决方案。

实现更高效率解决方案的第一步是采用磁性降压转换器。

正如其名称所暗示的，这时需要一个电感。

电感的主要规格除尺寸大小外，还有开关频率下的电感值、线圈的直流阻抗
（DCR）、额定饱和电流、额定rms电流、交流阻抗（ESR）以及Q因子。

根据应用的不同，电感类型的选择——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2.2卩H电感可能与厂商B的完全不同。

在相关温度范围内电感值与直流电流的关系是一条非常重要的曲线，必需向厂商索取。

在这条曲线上可以查到额定饱和电流（ISAT）。

ISAT —般定义为电感值降量为额定值的30%寸的直流电流。

某些电感生产商没有规定ISAT。

他们可能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效率。

ESF随工作频率的提高而增加，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。

在电感满足所有其它规格时，为什么系统设计人员还应考虑ESR和Q因子呢？
当开关频率超过2MHz时，必需格外关注电感的交流损耗。

规格说明书中列出比较的不同厂商的电感的ISAT和DCR在开关频率下可能有极为不同的交流阻抗，导致轻负载下显著的效率差异。

这一点对提高便携式电源系统中电池的寿命至为重要，因为系统大部分的时间是处于睡眠、待机或低功率模式下的。

由于电感生产厂商很少提供ESR和Q因子信息，设计人员应该主动向他们索取。

厂商给出的电感与电流关系也往往只限于25 ?C,故应该索取工作温度范围内的相关数据。

最坏情况一般是85oC。

图3给出了各种电感的交流阻抗与频率的关系。

考虑一个降压转换器的例子，其规格参数如下：FSW=2MHzVIN=5.5V，L=2.2 卩H, VOUT=1.5V I=0 到600MA
△ l=289MA （计算值）。

1000
Frequency (MHz)
3. These curves show
g frequency for V5irtou$ values
of inductors that might be usd m a dc-dc converter.
参见图3, 2.2卩H 额定电感在低频下的 DCF 为0.2 Q , 2MHz 下的ESF 为1 Q 。

电 感引起的直流损耗和交流损耗可用下式计算：
DC 损耗=12 X DCR AC 损耗=(d △ 12)/12 X 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， 交流损
耗占主导地位。

△ I 是转换器的峰峰值纹波电流，在连续传导工作模式中， 输出电流高和低时其幅度都一样。

由数学计算可知，l=600MA 时，电感总体损耗 的91艰直流损耗；I=50mA 时，电感总体损耗的93%是交流损耗。

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，还显示了采用这些电感(图4c)的2MHz 转换器的效率曲线。

从这些 数据判断，即使厂商A 有较高的DCR 它也能在轻负载下提供更高的效率。

100
w
1
11
0.01
0,1
10 100
俏Mui炳閒
4. Here. ESR (a) and Q factor (b) vs. frequency are compared fot inductors from two different manufacturers (A anU Also sho1 istheir efficiency vs. output current when used in an LM3671-bi converter (c).
根据应用的不同，可以选择屏蔽式或非屏蔽式电感器。

一般而言，屏蔽式电感用于那些必须满足严格的EMI规范的便携式应用。

最后但绝非不重要的是，按照生产方式的不同，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。

芯片电感凭其尺寸和高度方面的优势使用正日益广泛。

PCB装配时的安装速度也是芯片(多
层)电感生产商大肆宣传的优点之一。

在选择开关解决方案时，系统设计人员必须考虑到芯片电感的某些关键规格。

电感和直流电流的关系随温度的变化是线圈式电感和芯片电感有显著不同的一个主要参数。

图5显示了绕线线圈电感和芯片
电感的横截面示意图。

5. Cross-sectional images show the construction differences between
winding-type and chip induetor&.
从图6可看到，一般来说，线圈式电感的电感-直流电流及温度关系曲线在饱和 电流之前很平坦。

在饱和电流之后，则随电流变化出现急剧下降。

典型地， ISAT 在85oC 时比25 oC 时要低10%到20%
25 oC 时，芯片电感有一个高于额定值的初始电感值。

一旦电流增大，芯片电感 就开始下降。

因此，大多数情况下，额定 ISAT 的定义不适用于芯片电感。

规定 了温度上升的额定rms 电流也决定了芯片电感的额定电流。

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。

DC 耐
6. (inductance vs. current curves indicate that compared to their chip counterparts, coil-type in ductors have a much flatter inductance curve vs. de current and
temperature until the«r saturation current ts reached. 关于实际的电感值， 系统设计人员必须谨慎选择正确的电感， 并按照规格说明书 找到最小的电感值。

电感选
Win coil Ferrite core
Ag mil Ftrrite
Winding tyiit
Chip: 25°C
L = 2.2nH
b
」
Coil: 25°C
t
7
-------------------- ------- 7
i — -J
Chip: 85'C k
.
— “1
■ ■■
词
1
Coil:85X
t 2 )0 400
tt ID
1000
1200 1400
1
择不正确会影响到稳定性，引起次谐波振荡(sub-harmonic oscillations) ，和/ 或
降低开关的额定输出电流。

与陶瓷电容的情况相同，设计人员应当主要关注实际工作情况中的电感值，而非额定电感值。

如何为磁性降压转换器选择电感的额定电流呢？如果电感的额定IRMS大于所需
输出电流，最容易的方法是选择额定值大于或等于开关的最大电流限值的ISAT。

不过，正如我们在芯片电感中看到的，我们必须搜寻满足稳定性和输出电流要求的最小电感值。

选择较高值的芯片电感(比如用3.3卩H代替2.2卩H)来满足电感要求是不可行的，因为对相同外壳尺寸的电感器，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可能采用低渗透性材料，使电感值逐步改变。

但这种方案需要更多的介电层。

因此，较之采用高渗透率材料、下降更剧烈的厂商B, A将有更高的DCR B的DCF较低。

本文的目的是给出一些能够用于实际情况的相关信息，也向系统设计人员和元件采购工程师介绍了在元件选择过程中，应该向元件生产商索取的必要数据。