开关电源的电感选择和布局布线注意：所有下标的内容均用括斜弧代替，请读者留意！
开关电源（SMPS， Switched-Mode Power Supply）是一种非常高效的电源变换器，其理论值更是接近100%，种类繁多。按拓扑结构分，有Boost、Buck、Boost-Buck、Charge-pump等；按开关控制方式分，有PWM、PFM；按开关管类别分，有BJT、FET、IGBT等。本次讨论以数据卡电源管理常用的PWM控制Buck、Boost型为主。
开关电源的主要部件包括：输入源、开关管、储能电感、控制电路、二极管、负载和输出电容。目前绝大部分半导体厂商会将开关管、控制电路、二极管集成到一颗CMOS/Bipolar工艺的电源管理IC中，极大简化了外部电路。
其中储能电感作为开关电源的一个关键器件，对电源性能的好坏有重要作用，同时也是产品设计工程师重点关注和调试的对象。随着像手机、PMP、数据卡为代表的消费类电子设备的尺寸正朝着轻、薄、小巧、时尚的趋势发展，而这正与产品性能越强所要的更大容量、更大尺寸的电感和电容矛盾。因此，如何在保证产品性能的前提下，减小开关电源电感的尺寸（所占据的PCB面积和高度）是本文要讨论的一个重要命题，设计者将不得不在电路性能和电感参数间进行折中（Tradeoff）。
任何事物都具有两面性，开关电源也不例外。坏的PCB布局布线设计不但会降低开关电源的性能，更会强化EMC、EMI、地弹（grounding）等。在对开关电源进行布局布线时应注意的问题和遵循的原则也是本文要讨论的另一重要命题。
一开关电源占空比D、电感值L、效率η公式推导
Buck型和Boost型开关电源具有不同的拓扑结构，本文将使用如图1-1、1-2所示的电路参考模型[1]：
参考电路模型默认电感的DCR（Direct Constant Resistance）为零。
Buck/Boost型开关电源，伴随开关管的开和关，储能电感的电流波形如图1-3所示：
从图中可以看到，电感的电流波形等价于在直流I(DC)上叠加一个I(P-P)值为ΔI的交流。因而，I(DC)成为输出电流I(O)，主要消耗在负载上；交流ΔI则消耗在负载电容的ESR（Equation Serial Resistance）上，成为输出纹波V(ripple)。
所以，
下面以Buck型开关电源为例推导占空比、电感值和效率公式。
在一个连续模式的周期内，开关管闭合，对电感进行充电，根据基尔霍夫定律有：
dt近似为：D/f(D:一个振荡周期T内开关管ON/OFF的状态的比例关系，T=1/f,dt=D*T=D/f); D:占空比是高电平所占周期时间与整个周期时间的比值)
展开：
其中：iV为输入电压，SWV为开关管电压，oV为输出电压，SWf为开关频率，D为占空比。
在一个连续模式的周期内，开关管打开，电感放电，根据基尔霍夫定律有：
r也叫电流纹波比，是纹波电流与额定输出电流之比。对于一个给定Buck型开关电源，
此值一般为常量。从（5）式可以得到：电感值越大，I 就越小，因此r就越小。但这往往导致需要一个很大的电感才能办到，所以绝大部分的Buck型开关电源选择r值在0.25~0.5之间。
将（6）代入（5）式，得到：
至此，我们推导出了Buck型开关电源的。需要提醒的是以上所有公式都建立在参考电路模型的基础上，忽略了电感的DCR。
从（4）式可以看到，占空比只与V(i)、V(o)、V(sw)和V(D)相关，可以很容易搭建电路计算出D，这也是开关电源控制器的核心电路之一，但对开关电源的应用者来说，我们可以不关心。
从（8）式可以看出，开关电源的效率也只与V(i)、V(o)、
V(sw)和V(D)相关。事实上V(sw)和V(D)是开关频率f(sw)的函数，所以也是f(sw)的函数，但并不能保证f(sw)越高，就越高。
而对于一个给定的Buck型开关电源，其SWf是确定的，所以也就是定值，尤其在忽略V(sw)和V(D)后，值为1。很明显这与实际情况不符，根本原因就在于“参考模型假定储能电感为理想电感”。
把（5）式代入（1）式，可以得到：
所以，可以通过选用大电感，低ESR大容量输出电容的方法减小输出纹波电压。
同理，可以推导出了Boost型开关电源的D、L、minL，如下所示：
二电感最小值选取
公式（7）、（12）分别给出了通用的Buck和Boost型开关电源的电感最小值选取公式。
对像手机、PMP、数据卡这类的消费类电子用到的低功率开关电源，V(sw)和V(D)都在0.1V~0.3V之间，因此可对公式（7）、（12）进行简化，得到：
以PM6658的Buck电源MSMC为例，V(i)为3.8V，V(o)为
1.2V，r为0.3，f(sw)为1.6MHz，I(o_rated)为500mA则L(min)为3.08uH。若选用的电感容差为20%，1.25*L(min)=3.85uH。据计算值最近的标准电感值为4.7uH，所以PM6658 spec推荐的最小电感值就是4.7uH。
三、电感参数选取
除了上面讲的感值和容差（Tolerance）外，电感还有以下重要参数：自激频率
（Self-resonant frequency，f(o)），R(DC)，饱和电流（Saturation current，I(sat)）和均方根电流（RMS current，I(RMS)）。尽管参数很多，但准则只有一条：尽量保证f(sw)下电感的阻抗最小，让实际电路和理想模型吻合，降低电感的功耗和热量，提高电源的效率。
3.1 自激频率f(o)
理想模式的电感，其阻抗与频率呈线性关系，会随频率升高而增大。实际电感模型如图3-1-1所示，由电感L串联R(DCR)和寄生
电容C并联而成，存在自激频率f(o)。频率小于f(o)时呈感性，大于f(o)时呈容性，在f(o)处阻抗最大。
经验值：电感的自激频率f(o)最好选择大于10倍开关频率
f(sw)。
3.2 直流电阻R(DCR)
电感的直流电阻R(DCR)自身会消耗一部分功率，使开关电源的效率下降，更要命的是这种消耗会通过电感升温的方式进行，这样又会降低电感的感值，增大纹波电流和纹波电压，所以对开关电源来讲，应根据芯片数据手册提供的DCR典型值或最大值的基础上，尽可能选择DCR小的电感。
3.3 饱和电流I(SAT)和均方根电流I(RMS)（电感烧毁问题）
电感的饱和电流I(SAT)指其感值下降了标称值的10%~30%所能通过的最大电流。如图3-3-2所示，4.7uH电感下降为3.3uH时的电流约为900mA，因此其I(SAT)（30%）是900mA。
电感的均方根电流I(RMS)指电感温度由室温25℃上升至65℃时能通过的均方根电流。
I(SAT)和I(RMS)的大小取决于电感磁饱和与温度上升至65℃的先后顺序。
当标称输出电流大于I(SAT)时，电感饱和，感值下降，纹波电流、纹波电压增大，效率降低。因此，电感的I(SAT)和I(RMS)中的最小值应高于开关电源额定输出电流的1.3以上。
四、电感类型选取
在明确了最小电感值的计算和电感参数的选取后，有必要对市面上一些流行的电感类型
做比较分析，下面会围绕：大电感和小电感、绕线电感和叠层电感、磁屏蔽电感和非屏蔽电感进行对比说明。
4.1 同尺寸下的大电感和小电感
这里“同尺寸”指电感的物理形状大致相同，“大小”指标称容量不同。一般小容量的电感具有如下优势：
?较低的DCR，因此在重载时会有更高的效率和较少的发热；
?更大的饱和电流；
?更快的负载瞬态响应速度；
而大容量的电感具有较低的纹波电流和纹波电压，较低的AC和传导损失，在轻载时有较高的效率。图4-1-1所示是Taiyo Yuden 三种 2518封装不同容量大小的电感负载电流跟效率的关系曲线。
4.2 绕线电感和叠层电感
相比于绕线电感，叠层电感具有如下优势：
?较小的物理尺寸，占用较少的PCB面积和高度空间；
?较低的DCR，在重载时有更高的效率；
?较低的AC损失，在轻载时有更高的效率；
但是，叠层电感的SATI也较小，因此其在重载时会有较大的纹波电流，导致输出的纹波电压也相应增大。图4-2-1所示是Taiyo Yuden的两种绕线电感与三星的两种叠层电感负载电流和效率的关系曲线。
4.3 磁屏蔽电感和非屏蔽电感
非屏蔽电感会有较低的价格和较小的尺寸，但也会产生EMI。磁屏蔽电感会有效屏蔽掉EMI，因此更适合无线设备这样EMI敏感的应用，此外它还具有较低的DCR。
五、电感选取总结
根据前面几节内容的介绍，我们可以按照以下步骤选择适合的电感：
（1）计算L(min)和推荐电感参数：f(o)、R(DC)、I(SAT)、I(RMS)；
（2）在保证（1）的前提下，依据物理尺寸要求和性价比，折中选择：大电感还是小电感，叠层电感还是绕线电感，磁屏蔽电感还是非屏蔽电感。
六、开关电源布局
以Buck电路为例，不管开关管是由闭合-打开还是打开-闭合，电流发生瞬变的部分都如图（c）所示，它们是会产生非常丰富的谐波分量的上升沿或下降沿。通俗的讲，这些会产生瞬变的电流迹线（trace）就是所谓的“交流”（AC current），其余部分是“直流”（DC current）。当然这里交直流的区别不是传统教科书上的定义，而是指开关管的PWM频率只是“交流”FFT变换里的一个分量，而在“直流”里这样的谐波分量很低，可忽略不记。所以储能电感属于“直流”也就不奇怪，毕竟电感具有阻止电流发生瞬变的特性。因此，在开关电源布局时，“交流”迹线是最重要和最需要仔细考虑的地方。这也是需要牢记的唯一基本定律（only basic rule），并适用于其它法则和拓扑。下图表示了Boost电路电流瞬变迹线，注意它和Buck电路的区别。
1inch长，50mm宽，1.4mil厚（1盎司）的铜导线在室温下的电阻为2.5mΩ，若流过电流为1A，则产生的压降是2.5mV，不会对绝大部分IC产生不利影响。然而，这样1inch长的导线的寄生电感为20nH，由V=L*dI/dt可知，若电流变化快速，可能产生很大的压降。典型的Buck电源在开关管由开-关时产生的瞬变电流是输出电流的1.2倍，由关-开是产生的瞬变电流是输出电流的0.8倍。FET 型开关管的转换时间是30ns，Bipolar型的是75ns，所以开关电源“交流”部分1inch的导线，流过1A瞬变电流时，就会产生0.7V 的压降。0.7V相比于2.5mV，增大了近300倍，所以高速开关部分的布局就显得尤为重要。
尽可能地把所有外围器件都紧密地放在转换器的旁边，减少走线的长度会是最理想的布局方式，但限于极其有限的布局空间，实际往往做不到，因此有必要根据瞬变压降的严重程度按优先级顺序进行。对Buck电路，输入旁路电容须尽可能靠近IC放置，接下来是输入电容，最后是二极管，采用短而粗的迹线将其一端与SW相连，另一端与地相连。而对Boost电路布局来说，则是按输出旁路电容，输出电容和二极管的优先级顺序进行布局。
如果确定开关电源电感值 开关电源电感器是开关电源设备的重要元器件，它是利用电磁感应的原理进行工作的。它的作用是阻交流通直流,阻高频通低频(滤波)，也就是说高频信号通过电感线圈时会遇到很大的阻力，很难通过，而对低频信号通过它时所呈现的阻力则比较小，即低频信号可以较容易的通过它。电感线圈对直流电的电阻几乎为零。 本文将阐明为非隔离式开关电源(SMPS)选用电感器的基本要点。所举实例适合超薄型表面贴装设计的应用，像电压调节模块(VRM)和负载点(POL)型电源，但不包括基于更大底板的系统。 图1所示为一个降压拓扑结构开关电源的架构，该构架广泛应用于输出电压小于输入电压的开关电源系统。在典型的降压拓扑结构电路中，当开关(Q1)闭合时，电流开始通过这个开关流向输出端，并以某一速率稳步增大，增加速率取决于电路电感。根据楞次定律，di=E*dt/L，流过电感器的电流所发生的变化量等于电压乘以时间变化量，再除以这个电感值。由于流过负载电阻RL的电流稳定增加，输出电压成正比增大。 在达到预定的电压或电流限值时，开关电源控制集成电路将开关断开，从而使电感周围的磁场衰减，并使偏置二极管D1正向导通，从而继续向输出电路供给电流，直至开关再度接通。这一循环反复进行，而开关的次数由控制集成电路来确定，并将输出电压调控在要求的电压值上。图2所示为在若干个开关循环周期内，流过电感器和其它降压拓扑电路元件上的电压和电流波形。 电感值对于在开关电源开关断开期间保持流向负载的电流很关键。所以必须算出保持降压变换器输出电流所必需的最小电感值，以确保在输出电压和输入电流处于最差条件下，仍能够为负载供应足够的电流。为确定最小的电感值，
开关电源变压器共模电感设计注意事项 在电源变压器的设计过程中，工程师们需要严格的计算并完成共模电感设计和数值选取，这直接关系到开关电源变压器的运行精度。在今天的文章中，我们将会就开关电源变压器的共模电感设计展开简要分析，看在电源变压器共模电感设计和计算过程中，都应该注意哪些问题。 在电源变压器的设计和制作过程中，工程师所要进行的共模电感设计，其所需要的基本参数主要有三个，分别是输入电流，阻抗及频率，磁芯选取。先来看输入电流。这一参数值直接决定了绕组所需的线径。在线径的计算和选取时，电流密度通常取值为400A/cm³, 但此取值须随电感温升的变化。通常情况下，绕组使用单根导线作业，这样可削减高频噪声及趋肤效应损失。 在计算过程中，开关电源变压器共模电感的阻抗在所给的频率条件下，一般规定为最小值。串联的线性阻抗可提供一般要求的噪声衰减。但实际上，线性阻抗问题往往是最容易被人忽视的，因此设计人员经常以50W线性阻抗稳定网络仪来测试共模电感，并渐渐成为一种标准测试共模电感性能的方法。但所得的结果与实际通常有相当大的差别。实际上，共模电感在正常时角频首先会产生每八音度增加-6dB 衰减（角频是共模电感产生-3dB）的频率此角频通常很低，以便感抗能 够提供阻抗。因此，电感可以用这一公式来表达，即：Ls=Xx/2 n f
这里还有一个问题需要工程师需要注意，那就是在进行共模电感设计时须注意磁芯材料和所需的圈数问题。首先来看磁芯型号的选取问题，此时如果有规定电感空间，我们就按此空间来选取合适的磁芯型号，如没有规定，通常磁芯型号的随意选取。 在确定了电源变压器的磁芯型号之后，接下来的工作就是计算磁芯所能绕最大圈数。通常来说，共模电感有两绕组，一般为单层，且每绕组分布在磁芯的每一边，两绕组中间须隔开一定的距离。双层及堆积绕组亦有偶尔使用，但此种作法会提高绕组的分布电容及降低电感的高频性能。由于铜线的线径已由线性电流的大小所决定，内圆周长可以由磁芯的内圆半径减去铜线半径计算得来。故最大圈数的就可以铜线加绝缘的线径及每个绕组所占据的圆周来计算。
如何为开关电源选择合适的电感 电感，一直以来都有些许神秘：它可以产生磁场，把磁场和电场联系起来；电感的电流I不能突变，但电流变化率dI/dt可以突变；电感的储能与其流过的电流有关。 铁氧体和铁粉是用于开关电源电感的两种磁芯材料。应用于电源的储能电感通常制成闭环，使得整个磁场包含在电感的内部，因此磁通大小与磁芯的存储能量将表征磁芯材料的特性。 以Buck电路的输出电感为例。该电感的磁芯具有一定的直流分量，适用的材质有：（1）铁粉芯 碾磨的铁粉与其他的合金组成的精细颗粒与绝缘材料涂层构成磁粉芯。铁粉颗粒周围的绝缘颗粒构成了铁粉芯的内在分散气隙。 （2）带气隙的铁氧体磁芯 Buck电路的电感具有一定的直流分量。若不开气隙，铁氧体磁芯极其容易饱和。开气隙后，闭合磁路的磁通将快速增大。由于空气的相对磁导率为1，且磁芯材料的相对磁导率为几千以上，所以，磁芯中的大部分能量将存储在气隙磁通中。 气隙降低了磁芯的有效磁导率，整个B-H曲线会倾斜，增大了饱和时的磁场强度H，磁芯不太容易饱和。图 1为不开气隙和开气隙的B-H曲线。 图 1 电感B-H曲线 通常我们会发现，大多数采用铁氧体的电感设计，其磁芯损耗仅为电感总损耗（线圈加上磁芯损耗）的5%~10%。但是若电感采用铁粉芯，则该值会增加到20%~30%。 一、电感：磁芯的饱和 当流过电感的电流（或磁场强度）大于一定值时，电感的磁芯可能饱和。当其饱和时，其感量会减小，并接近于0。 某反激电路的限流电阻上的电压波形如图 2所示（反激变换器中变压器的初、次级可以看成一对耦合电感）。从图中可以看出流经初级电感的电流波形。当电流增大时，电感逐渐饱和，电感量减小，从而导致梯形电流的波形的斜率增大。
开关电源原理及分类 1、12V/5V两路输出开关电源. （1)原理图设计（参考PI软件给出的解决方案）（拓扑图） 采用反激式。 主回路—开关电源中，功率电流流经的通路。主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件,以及供电输入端和负载端。 开关电源（直流变换器)的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型,以及工作原理，具有极其重要的意义。 开关电源主回路可以分为隔离式及非隔离式两大类型。 1。非隔离式电路的类型： 非隔离——输入端及输出端电气相通，没有隔离. 1。1. 串联式结构 串联——在主回路中开关器件（下图中所示的开关三极管T）及输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。 开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电,并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路,对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。 串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。例如buck拓扑型开关电源就是属于串联式的开关电源 c:\iknow\docshare\data\cur_work\
上图是在图1-1—a电路的基础上,增加了一个整流二极管和一个LC滤波电路。其中L 是储能滤波电感，它的作用是在控制开关K接通期间Ton限制大电流通过，防止输入电压Ui直接加到负载R上,对负载R进行电压冲击，同时对流过电感的电流iL转化成磁能进行能量存储，然后在控制开关T关断期间Toff把磁能转化成电流iL继续向负载R提供能量输出；C是储能滤波电容，它的作用是在控制开关K接通期间Ton把流过储能电感L的部分电流转化成电荷进行存储，然后在控制开关K关断期间Toff把电荷转化成电流继续向负载R 提供能量输出；D是整流二极管,主要功能是续流作用，故称它为续流二极管，其作用是在控制开关关断期间Toff，给储能滤波电感L释放能量提供电流通路. 在控制开关关断期间Toff，储能电感L将产生反电动势，流过储能电感L的电流iL 由反电动势eL的正极流出,通过负载R,再经过续流二极管D的正极，然后从续流二极管D 的负极流出，最后回到反电动势eL的负极。 对于图1-2，如果不看控制开关T和输入电压Ui，它是一个典型的反г型滤波电路,它的作用是把脉动直流电压通过平滑滤波输出其平均值。串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为： 1.2. 并联式结构 并联——在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图中所示的开关三极管T)及输出端负载成并联连接的关系。 开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电;当开关管T关断时，续流二极管D导通,输入端电源电压及电感器L中的自感电动势正向叠加后,通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。
为开关电源选择合适的电感 电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，所以理论上损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。 电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数)，一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。 杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集”为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。 当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时，不妨考虑下面几个特点： 1. 当电感L 中有电流I 流过时，电感储存的能量为： E＝0.5×L×I2 (1) 2. 在一个开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压的关系为： V＝(L×di)/dt (2) 由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关。 3. 就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分(安·秒)成正比，电感上的电流与电压的积分(伏·秒)成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt 也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。 计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要 从图1 可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成，因为交流分量具有较高的频率，所以它会通过输出电容流入地，产生相应的输出纹波电压dv=di×RESR。这个纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常操作，一般要求峰峰值为10mV~500mV。 纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10%~30%，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%。 降压型开关电源的电感选择 为降压型开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大
――DC/DC 电路中电感的选择 原文：Fairchild Semiconductor AB-12：Insight into Inductor Current 下载 翻译：frm （注：只有充分理解电感在DC/DC电路中发挥的作用，才能更优的设计DC/DC电路。本文还包括对同步DC/DC及异步DC/DC概念的解释。） 本文PDF文档下载 简介 在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。 理解电感的功能 电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L（C是其中的输出电容）。虽然这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。 在降压转换中（Fairchild典型的开关控制器），电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。 在状态1过程中，电感会通过（高边“high-side”）MOSFET连接到输入电压。在状态2过程中，电感连接到GND。由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式实现电感接地：通过二极管接地或通过（低边“low-side”）MOSFET接地。如果是后一种方式，转换器就称为“同步（synchronus）”方式。 现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反，在状态2过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。 我们利用电感上电压计算公式： V=L(dI/dt) 因此，当电感上的电压为正时（状态1），电感上的电流就会增加；当电感上的电压为负时（状态2），电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示： 通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流：
开关电源PCB设计流程及布线技巧在任何开关电源设计中，PCB板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，PCB可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析： 一、从原理图到PCB的设计流程 建立元件参数－》输入原理网表-》设计参数设置-》手工布局-》手工布线-》验证设计－》复查-》cam输出。 二、参数设置 相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。 如图：
三、元器件布局 实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路： （1）电源开关交流回路 （2）输出整流交流回路 （3）输入信号源电流回路 （4）输出负载电流回路输入回路 通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回
开关电源中电感的设计 在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的DC 电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。 理解电感的功能 电感常常被理解为开关电源输出端中的LC 滤波电路中的L（C 是其中的输出电容）。虽然这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。 在降压转换中（Fairchild典型的开关控制器），电感的一端是连接到DC 输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。 在状态1 过程中，电感会通过（高边“high-side”）MOSFET连接到输入电压。在状态2 过程中，电感连接到GND。由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式 实现电感接地：通过二极管接地或通过（低边“low-side”）MOSFET接地。如果是后 一种方式，转换器就称为“同步（synchronus）”方式。 现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1 过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反，在状态2 过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。 我们利用电感上电压计算公式： V=L(dI/dt) 因此，当电感上的电压为正时（状态1），电感上的电流就会增加；当电感上的电压为负时（状态2），电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2 所示：
通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为DC 电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流： 其中，ton 是状态1 的时间，T 是开关周期（开关频率的倒数），DC 为状态1 的占空比。 警告：上面的计算是假设各元器件（MOSFET上的导通压降，电感的导通压降或异步电路中肖特基二极管的正向压降）上的压降对比输入和输出电压是可以忽略的。 如果，器件的下降不可忽略，就要用下列公式作精确计算： 同步转换电路： 异步转换电路：其中，Rs 为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf 是肖特基二极管的正向压降。R 是Rs加MOSFET 导通电阻，R=Rs+Rm。
开关电源PCB排版基本要点 作者：瑞士商升特股份有限公司上海代表处 周琛 发布时间：2006-10-14 10:50 出处：https://www.doczj.com/doc/ef17043092.html, 摘要：开关电源PCB排版是开发电源产品中的一个重要过程。许多情况下，一个在纸上设计得非常完美的电源可能在初次调试时无法正常工作，原因是该电源的PCB排版存在着许多问题．详细讨论了开关电源PC B排版的基本要点，并描述了一些实用的PCB排版例子。 关键词：PCB排版；开关电源 引言 为了适应电子产品飞快的更新换代节奏，产品设计工程师更倾向于选择在市场上很容易采购到的AC／DC适配器，并把多组直流电源直接安装在系统的线路板上。由于开关电源产生的电磁干扰会影响到其电子产品的正常工作，正确的电源PCB排版就变得非常重要。开关电源PCB排版与数字电路PCB排版完全不一样。在数字电路排版中，许多数字芯片可以通过PCB软件来自动排列，且芯片之间的连接线可以通过PCB软件来自动连接。用自动排版方式排出的开关电源肯定无法正常工作。所以，没计人员需要对开关电源PCB排版基本规则和开关电源工作原理有一定的了解。 1 开关电源PCB排版基本要点 l.1 电容高频滤波特性 图1是电容器基本结构和高频等效模型。 电容的基本公式是 式(1)显示，减小电容器极板之间的距离(d)和增加极板的截面积(A)将增加电容器的电容量。
电容通常存在等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)二个寄生参数。图2是电容器在不同工作频率下的阻抗(Zc)。 一个电容器的谐振频率(fo)可以从它自身电容量(C)和等效串联电感量(LESL)得到，即 当一个电容器工作频率在fo以下时，其阻抗随频率的上升而减小，即 当电容器工作频率在fo以上时，其阻抗会随频率的上升而增加，即 当电容器工作频率接近fo时，电容阻抗就等于它的等效串联电阻(RESR)。 电解电容器一般都有很大的电容量和很大的等效串联电感。由于它的谐振频率很低，所以只能使用在低频滤波上。钽电容器一般都有较大电容量和较小等效串联电感，因而它的谐振频率会高于电解电容器，并能使用在中高频滤波上。瓷片电容器电容量和等效串联电感一般都很小，因而它的谐振频率远高于电解电容器和钽电容器，所以能使用在高频滤波和旁路电路上。由于小电容量瓷片电容器的谐振频率会比大电容量瓷片电容器的谐振频率要高，因此，在选择旁路电容时不能光选用电容值过高的瓷片电容器。为了改善电容的高频特性，多个不同特性的电容器可以并联起来使用。图3是多个不同特性的电容器并联后阻抗改善的效果。
上期我们谈到了布局方面的注意事项，对于layout 工程师来说电源模块布局完成时，布线也就基本已经规划好，布局做好，布线自然水到渠成。 如下图1所示原理图： 图1 从原理图中我们可以看到a:主电流通道(红色）b：地的区别（电源地、信号地、其他信号地）c：反馈通道（蓝色）d：续流回路。 对于上述开关电源的布线的处理时，我们还是有以下事项需要注意： 开关管部分: 尽量粗短，一般用铺铜实现，考虑大电流通道。 输入输出滤波：注意到电源平面的过孔数目和位置，在滤波电容之后。 输入输出的地：用大铜皮连接到一起，多打地孔到平面（开关管特殊要求除外）。
控制电路的地：模拟地，与大电流地分开，单点接地。 控制电路的采样：模拟信号，采样点在输出滤波之后，如果有电流采样和电压采样，布成差分线的紧耦合形式，采样线尽量短，减小受干扰的空间。 控制电路的调制输出：模拟信号，不要在开关管下走长线，远离大电流的电源和地等区域。 下面我们还是借用芯片的datasheet图例来一起看一下开关电源布线的一些注意事项，如下图2所示： 图2：某电源芯片layout guide 从datasheet要求来看主要需要我们注意： 1.输入输出回路尽量小满足载流且满足共地。 2.模拟地与大电流地分开，单点接地。 3.反馈信号处理以及芯片散热等。 在我们的实际设计应用中对于上述开关电源电路可能会进行优化调整如图3所示原理图，其主要核心部分还是一致，如图3所示是该模块原理图和布线展示的示例：
图3.1：SCH 图3.2：布线展示 我们可以从布线展示图中可以看到基本按照layout guide设计，但我们还需要注意以下细节：大电流通道滤波电路孔的位置和数量；输入输出地的铺铜共地连接；采样电路避免受干扰；芯片模拟地与大电流地的区分与单点相连，以及芯片的散热！ 接着上期的“IPC”PCB设计大赛的开关电源，如下图4原理图和布线展示： 图4-1：原理图
如何为开关电源选择合适的电感 中心议题： 电感的特点 降压型开关电源的电感选择 升压型开关电源的电感选择 解决方案： 计算降压型开关电源的电感值 计算升压型开关电源的电感值 电感是开关电源中常用的元件，由于它的电流、电压相位不同，所以理论上损耗为零。电感常为储能元件，也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上，用来平滑电流。电感也被称为扼流圈，特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说，由于磁通连续特性，电感上的电流必须是连续的，否则将会产生很大的电压尖峰。 电感为磁性元件，自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和，有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和，也有的应用不允许电感出现饱和，这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下，电感工作在“线性区”，此时电感值为一常数，不随着端电压与电流而变化。但是，开关电源存在一个不可忽视的问题，即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数)，一个是不可避免的绕线电阻，另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大，但随频率的提高而渐显出来，当频率高到某个值以上时，电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容，则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。 当分析电感在线路中的工作状况或者绘制电压电流波形图时，不妨考虑下面几个特点： 1. 当电感L中有电流I流过时，电感储存的能量为：E＝0.5×L×I2 (1) 2. 在一个开关周期中，电感电流的变化(纹波电流峰峰值)与电感两端电压的关系为：V＝(L×di)/dt (2) 由此可看出，纹波电流的大小跟电感值有关。 3. 就像电容有充、放电电流一样，电感器也有充、放电电压过程。电容上的电压与电流的积分(安·秒)成正比，电感上的电流与电压的积分(伏·秒)成正比。只要电感电压变化，电流变化率di/dt也将变化；正向电压使电流线性上升，反向电压使电流线性下降。 计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要。 从图1可以看出，流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成，因为交流分量具有较高的频率，所以它会通过输出电容流入地，产生相应的输出纹波电压dv=di×RESR。这个纹波电压应尽可能低，以免影响电源系统的正常操作，一般要求峰峰值为10mV~500mV。 纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸，纹波电流一般设定为最大输出电流的10%~30%，因此对降压型电源来说，流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%。 降压型开关电源的电感选择 为降压型开关电源选择电感器时，需要确定最大输入电压、输出电压、电源开关频率、最大纹波电流、占空比。下面以图2为例说明降压型开关电源电感值的计
1:线径的计算： 一般铜线截面积每平方mm取值5安培电流。（高频取4.95，低频取3.5.） 公式1：。公式2： 。r=半径。 例题： 假设铜线半径是1mm. 3.141×1=3.141×5A=15.705A电流。15.7A. =2.0mm铜线直径。 2: 峰值功率计算。 Pout = (Vout+Vf) Iout 1.2 3：初级峰值电流计算： IPmax = IPmin = KIP1 K为脉动电流，取值：0.4. 4：输入电流公式： ÷PF=Pin÷Vin=Iin。 3：肖特基的取值计算。 肖特基一般取输出电流的2-3倍。 匝比一般是10比1 输出峰值电压的计算： 〈（Vin(max)×）+80V〉÷n + Vout=峰值电压。 〈〔最大输入电压×〕＋80V〉÷匝比＋输出电压。 例题： 以输出5V为例： 〈〔最大输入电压264V×1.414〕＋80V〉÷匝比10＋输出电压5V。 峰值电压等于==50.32V. /*****************************************************************/ 开关变压器计算步骤： P-初级，S-次级，D-占空比，n匝比，L-电感量，f频率，η-效率, K-脉动电流。T-时间，ON-开,NP-初级匝数，IP 峰值电流。 AE-磁芯截面积，查磁芯表。Bm-磁通密度。单位-高斯。 /******************************************************************* 要求：输入电压《85-265V》。
最大占空比0.45左右。根据IC资料选择。 η-效率。0.75 Vout-输出电压。5V Iout-输出电流。2A f –开关频率。100K IC方案，选择7535. 10W /******************************************************************** 1：估算初级输入电流：I in ÷PF=Pin÷Vin=Iin。 /0.6=22.22/85=0.2614 A 根据输入电流计算输入线径： = 0.13mm1.2=0.156 输出线径; = 1.01579mm /*******************************************************************/ 1: Ton计算导通时间。 T:时间。T= = = 10us Ton = 100.45 =4.5us. 导通时间。 Toff = 10 0.55 = 5.5us. 截至时间。 /********************************************/ 2：算出初次级匝比. N = N = = = 14.131661 /********************************************/ 3：IP 峰值功率。 Pout = (Vout+Vf) Iout 1.2 = (5+1) 2 1.2 = 14.4W /********************************************/
开关电源ＥＭＩ滤波器的正确选择与使用 １插入损耗和滤波电路的选择 在用户选择滤波器时，最关心插入损耗性能。但是，往往插入损耗相近的滤波器，在实际运用中效果相差甚远。究其主要原因是，相近插入损耗的滤波器可由不同的电路实现。这和理论分析是吻合的，因为插入损耗本身是个多解函数。 所以，选择滤波器时首先应选择适合你所用的滤波电路和插入损耗性能。要做到这一点，就要求了解所使用电源的等效噪声源阻抗和所需要对噪声的抑制能力。这符合“知己知彼，百战百殆”的客观规律。 那么滤波电路和电源等效噪声之间存在什么样的关系呢？ 众所周知，ＥＭＩ滤波器是由Ｌ、Ｃ构成的低通器件。为了在阻带内获得最大衰减，滤波器输入端和输出端的阻抗需与之连接的噪声源阻抗相反，即对低阻抗噪声源，滤波器需为高阻抗（大的串联电感）；对高阻抗噪声源，滤波器就需为低阻抗（大的并联电容）。对于ＥＭＩ滤波器，这些原则应用于共模和差模中。 如按此原则选用的滤波器，在实际运用中仍存在效果相差很多的现象，特别发生在重载和满载的情况下。造成这一问题的主要原因可能是滤波器中的电感器件在重载和满载时，产生饱和现象，致使电感量迅速下降，导致插入损耗性能大大变坏。其中尤以有差模电感的滤波器为多。因差模电感要流过电源火线或零线中的全部工作电流，如果差模电感设计不当，电流一大，就很容易饱和。当然也不排除共模扼流圈，因生产工艺水平较差，两个绕组不对称，造成在重载或满载时产生磁饱和的可能。 图1 共模滤波器模型 1.1.2差模滤波电路 由于开关电源的开关频率谐波噪声源阻抗为低阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。 ＡＣ电网火线和零线之间是低阻抗，所以与之对应的滤波器输入端也应是高阻抗串联大电感ＬＤＭ。如果想再进一步抑制差模噪声，可以在滤波器输入端并接线间电容ＣＸ１，条件是它的阻抗要比ＡＣ电网火线、零线之间的阻抗还要低得多。 开关电源工频谐波噪声源阻抗是高阻抗，所以与之相对应的滤波器输出端应是低阻抗并联大电容ＣＸ２。 合成的差模滤波电路参见图２。 最后，完整的共、差模滤波电路参见图３。
开关电源EMI滤波器的设计 要使EMI滤波器对EMI信号有最佳的衰减特性，设计与开关电源共模、差模噪声等效电路端接的EMI滤波器时，就要分别设计抗共模干扰滤波器和抗差模干扰滤波器才能收到满意的效果。1抗共模干扰的电感器的设计 电感器是在同一磁环上由两个绕向与匝数都相同的绕组构成。当信号电流在两个绕组流过对，产生的磁场恰好抵消，它可几乎无损耗地传输信号。因此，共模电流可以认为是地线的等效干扰电压Ug所引起的干扰电流。当它流经两个绕组时，产生的磁场同相叠加，电感器对干扰电流呈现出较大的感抗，由此起到了抑制地线干扰的作用。电路如图1所示。 I Bel 信号源至负载RL连接线的电阻为Rcl、Rc2，电感器自感为L1、L2，互感为M，设两绕组为紧耦合，则得到L1 = L2 = M。由于Rcl和RL串联且Rcl vv RL，则可以不考虑Vg，Vg 被短路可以不考虑Vg的影响。其中（Is是信号电流，Ig是经地线流回信号源的电流。由基尔霍夫定律可写出： 吒=址员+島+沖佗2Af＞］-址島+沖心一⑷］ 0 ■-人［& + 酒U一+ + j和仏） 令Ai ■■ Xt ?= M = ￡為朕氐 得到 R L X f
式（2）表明负载上的信号电压近似等于信号源电压，即共模电感传输有用信号时几乎不引入衰减。由（1）式得知，共模千扰电流Ig随f: fc的比值增大而减小。当f: fc的比值趋于无穷时，Ig=0，即干扰信号电流只在电感器的两个绕组中流过而不经过地线，这样就达到了抑制共模干扰的作用。所以，可以根据需要抑制的干扰电压频率来设置电感器截止频率。 一般来说，当干扰电压频率f > 5fc时，即Vn: Vg< 0.197,就可认为达到有效抑制地线中心干扰的目的。 2?抗差模干扰的滤波器设计 差模干扰的滤波器可以设计成n型低通滤波器，电路如图2所示。这种低通滤波器主要是设置电路截止频率人的值达到有效地抑制差模传导干扰的目的。
DC-DC升压和降压电路电感参数选择 注：只有充分理解电感在DC-DC电路中发挥的作用，才能更优的设计DC-DC电路。本文还包括对同步DC-DC及异步DC-DC概念的解释。 DC-DC电路电感的选择简介 在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。 理解电感的功能 电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L（C是其中的输出电容）。虽然这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。在降压转换中（Fairchild典型的开关控制器），电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。 在状态1过程中，电感会通过（高边“high-side”）MOSFET连接到输入电压。在状态2过程中，电感连接到GND。由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式实现电感接地：通过二极管接地或通过（低边“low-side”）MOSFET接地。如果是后一种方式，转换器就称为“同步（synchronus）”方式。 现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反，在状态2过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。 我们利用电感上电压计算公式： V=L(dI/dt)
4KW PFC 相关电容电感计算 1. 输入电容计算 参阅IR1153应用规格书2000W PFC 计算如下： 因为()()2L IN RMS MAX IN I sw IN RMS MIN I C k f r V π?=??? ，所以需要先求()IN RMS MAX I ，参阅IR1153应用 规格书2000W PFC 计算如下： 当P OUT =4000W 时，() ()400043480.92 O MAX IN MAX MIN P W P W η===； 因为一般需要对市电220VAC （﹣10%，+15%）变动范围内的PFC 运行情况进行确认是否存在异常，即198V~254VAC ，所以()198IN RMS MIN V V =。假设当PFC 在4000W
负载情况下运行功率因数cos φ为0.998，则： () ()()400022()0.921980.998 O MAX IN RMS MAX MIN IN RMS MIN P W I A V PF V η===??； ()()2231.1IN PEAK MAX IN RMS MAX I A A ===； 综上所述，高频输入电容计算如下所示： ()()2235% 3.12222.29%198L IN RMS MAX IN I sw IN RMS MIN I A C k uF f r V kHz V ππ?==?=??????； 所以一个标准的3.3uF 或者2.2uF ，630V 的聚酯（薄膜）电容可以选用。 2. 输出电容计算 参阅IR1153应用规格书2000W PFC 计算如下： 由计算公式：()22() 2O OUT MIN O O MIN P t C V V ???=- ，当P OUT =4000W 时，对于50Hz 的市电来讲， 20t ms ?=,380O V V =,()285O MIN V V =？,将各个参数代入得： ()2224000201601602533(380)(285)1444008122563175 OUT MIN W ms C uF V V ??====--，增加20%余量：() 25333166.25110.2 OUT MIN OUT TOL C uF C uF C ===-?-； 所以4个680uF /450V 的电容并联使用达2720uF 可以满足4000W PFC 的需要。
开关电源的电感选择和布局布线 开关电源（SMPS，Switched-Mode Power Supply）是一种非常高效的电源变换器，其理论值更是接近100%，种类繁多。按拓扑结构分，有Boost、Buck、Boost-Buck、Charge-pump等；按开关控制方式分，有PWM、PFM；按开关管类别分，有BJT、FET、IGBT等。本次讨论以数据卡电源管理常用的PWM控制Buck、Boost型为主。 开关电源的主要部件包括：输入源、开关管、储能电感、控制电路、二极管、负载和输出电容。目前绝大部分半导体厂商会将开关管、控制电路、二极管集成到一颗CMOS/Bipolar 工艺的电源管理IC中，极大简化了外部电路。其中储能电感作为开关电源的一个关键器件，对电源性能的好坏有重要作用，同时也是产品设计工程师重点关注和调试的对象。随着像手机、PMP、数据卡为代表的消费类电子设备的尺寸正朝着轻、薄、小巧、时尚的趋势发展，而这正与产品性能越强所要的更大容量、更大尺寸的电感和电容矛盾。因此，如何在保证产品性能的前提下，减小开关电源电感的尺寸（所占据的PCB面积和高度）是本文要讨论的一个重要命题，设计者将不得不在电路性能和电感参数间进行折中（Tradeoff）。 任何事物都具有两面性，开关电源也不例外。坏的PCB布局布线设计不但会降低开关电源的性能，更会强化EMC、EMI、地弹（grounding）等。在对开关电源进行布局布线时应注意的问题和遵循的原则也是本文要讨论的另一重要命题。 一开关电源占空比D、电感值L、效率η公式推导 Buck型和Boost型开关电源具有不同的拓扑结构，本文将使用如图1-1、1-2所示的电路参考模型[1]： 图1-1 Buck电路参考模型 参考电路模型默认电感的DCR（Direct Constant Resistance）为零。
估算电感在开关电源中的功耗 开关电源的功耗是多方面的，包括功率MOSFET损耗、输入/输出电容损耗、控制器静态功耗以及电感损耗。本文主要讨论电感损耗。众所周知，电感损耗包括两方面：其一是与磁芯相关的损耗，即传统的铁损；其二是与电感绕组相关的损耗，即通常所谓的铜损。 功率电感在开关电源中作为一种储能元件，开关导通期间存储磁能，开关断开期间把存储的能量传送给负载。磁滞特性是磁芯材料的典型特性，正是它产生电感磁芯的损耗。导磁率越大，磁滞曲线越窄，磁芯功耗越小。 图1 电感功耗的等效模型 电感磁芯中的功耗 电感在一个开关周期内由于磁场强度改变产生的能量损耗是在开关导通期间输入电感的磁能与开关断开期间输出磁能之间的差值。如果用ET代表一个开关周期电感的能量，则：。根据安培定律：和法拉第定律：，上述等式中的ET为：。随着电感电流减小，磁场强度减弱，而磁感应强度从另一回路返回并变小。在此期间，大部分能量传送给负载，而存储能量和传送能量之间的差值即为损失的能量。而磁芯由于磁滞特性引起的功耗是上述能量损耗乘以开关频率。该损耗大小与艬n有关，对于大多数铁氧体材质磁芯而言，n介于2.5~3之间。到目前为止，上述磁芯储能和损耗的推导与结论都基于下列条件：磁芯工作在非饱和区；开关频率在磁芯正常工作范围内。 电感磁芯除了上述的磁滞损耗外，第二种主要损耗是涡流损耗。感应涡流在磁芯中流动将产生I2×R(或V2/R)的功耗。如果把磁芯想象为一个高阻值元件RC，那么，在RC将产生感应电压，根据法拉第定律，，其中AC为磁芯的有效截面积，因此功耗为：，由此可见，磁芯由于涡流导致的功耗与磁芯中单位时间内磁通变化量的平方成正比。另外，由于磁通变化量直接与所加电压成正比，所以，磁芯的涡流功耗与电感电压和占空比成正比，即：，其中VL为电感电压，tAPPLIED为一个开关周期(TP)中开关的导通(ON)或截止(OFF)时间。由于磁芯材料的高阻特性，通常涡流损耗比磁滞损耗小得多，通常数据手册中给出的磁芯损耗包括涡流损耗和磁滞损耗。 测量磁芯的损耗是很困难的事情，因为它包括繁琐的磁感应强度测量和磁滞回路面积估算，多数电感厂家并未提供这些参数。虽然如此，仍可利用这些曲线对磁芯损耗进行估算。这些曲线可从磁芯材料厂商获得，通常以磁感应强度和工作频率为变量给出功率损耗，单位为W/kg或W/cm3。磁芯材料公司Magnetics提供了上述数据，其中给出了磁芯损耗与磁感应强度在各种频率下的关系曲线。如果已知电感采用了某种铁氧体材料磁芯并知道其体积，则可以根据这些关系曲线对其磁芯损耗做出很好的估算。这类曲线是利用双极性变化的磁通，对
电子变压器与电感网 https://www.doczj.com/doc/ef17043092.html,/news/201052.html 开关电源设计中电感的选择 【大比特导读】在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。 工程师不仅要选择电感值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必 要的信息。 深入剖析电感电流 ――DC/DC 电路中电感的选择 只有充分理解电感在DC/DC电路中发挥的作用，才能更优的设计DC/DC电路。本文还包 括对同步DC/DC及异步DC/DC概念的解释。 在开关电源的设计中电感的设计为工程师带来的许多的挑战。工程师不仅要选择电感 值，还要考虑电感可承受的电流，绕线电阻，机械尺寸等等。本文专注于解释：电感上的 DC电流效应。这也会为选择合适的电感提供必要的信息。 理解电感的功能 电感常常被理解为开关电源输出端中的LC滤波电路中的L(C是其中的输出电容)。虽然 这样理解是正确的，但是为了理解电感的设计就必须更深入的了解电感的行为。 在降压转换中，电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输 入电压或GND。 在状态1过程中，电感会通过(高边“high-side”)MOSFET连接到输入电压。在状态2 过程中，电感连接到GND。由于使用了这类的控制器，可以采用两种方式实现电感接地：通 过二极管接地或通过(低边“low-side”)MOSFET接地。如果是后一种方式，转换器就称为 “同步(synchronus)”方式。
现在再考虑一下在这两个状态下流过电感的电流是如果变化的。在状态1过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。相反，在状态2过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。 我们利用电感上电压计算公式： V=L(dI/dt) 因此，当电感上的电压为正时(状态1)，电感上的电流就会增加;当电感上的电压为负时(状态2)，电感上的电流就会减小。通过电感的电流如图2所示： 通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流：