你真的知道開關電源電路電感如何選型嗎？

前言

由於工作崗位的緣故，本章是基於手機開關電源來進行簡要講解的，對於其他應用而言，基礎理論、設計流程等是同樣適用的。另外，本章融合了xx公司提供的設計文檔和作者實測數據，因此更加具有工程實用性。

隨著手機主板尺寸的不斷縮小，其中的電源管理晶元（PMIC）集成度也越來越高（這是不給咱們硬體工程師留活路的節奏啊），雖然開關電源的驅動電路都集成在晶元里了，但是對電感等外圍電路的良好選型及設計仍能決定一個電路的成敗（我們還是有肉吃噠）。現實總滿足不了人們的慾望，電池容量要越來越大，手機要越來越薄……這將促使主板不斷減小，電源電路的電感當然首當其衝的要被縮小體積。那麼問題來了，電感體積的減小，必將對電感的額定值、誤差、自諧振頻率f0、直流串聯電阻DCR、飽和電流Isat以及額定電流Irms造成影響。工程師嘛就是有問題解決問題，沒問題那就創造問題再解決問題。那下面就跟緊我的腳步，一起看看如何進行電感的選型設計吧！

電感參數

電感額定值和誤差

電感的額定值是在特定頻率電流下測量的，誤差則是實際電感值與額定電感值之差的百分比。在一個BUCK電路中，在給定的輸出電壓與開關頻率下，電感的最小值可以通過以下公式確定。

其中，fsw為開關頻率，Irpp為電感的紋波電流峰峰值。

看著上面的公式，大家可能會想這個Irpp該怎麼確定呢？當Irpp較大時，那麼輸出電容需要有更低的ESR和更高的紋波電流值（考慮到輸出紋波電壓和電容的安全穩定）。如果Irpp較小，則根據公式，必然要增大電感值。因此，一個理想的折中就是使Irpp等於電源額定輸出電流值的一半。那麼上述的公式我們可以改寫為：

同理，BOOST電源的電感求解公式如下：

到這裡，你是不覺得萬事俱備，打算收工了？別忘了我們的電感誤差。假設電感誤差為10%，那麼我們所選的電感值應該大於1.1*Lmin，根據實際電感誤差以此類推。舉個栗子，某路BUCK額定電流2A，輸出電壓為1V，假設最高輸入電壓為4.4V（電池最高電壓），開關頻率為2M，所用電感誤差為10%，那麼計算得到Lmin=0.78uH，那麼我們選擇最近的標準值為1uH，一定要跟著小編動手算一遍哦。

自諧振頻率f0

理想電感的阻抗隨著信號頻率的升高而變大，但由於寄生電容的存在，實際電感將會存在自諧振頻率f0。當頻率低於f0時，表現為電感特性，阻抗隨頻率升高而變大，當頻率高於f0時，表現為電容特性，阻抗隨頻率的升高而減小。如圖1展示了理想電感與實際電感的感值、阻抗與頻率的關係。為了使我們的設計更加可靠，我們選用電感時，自諧振頻率f0應該大於10倍的信號頻率。另外需要注意的是，在一定的封裝下，電感值越大，自諧振頻率越小。

直流串聯電阻DCR

由於繞線電阻的存在，實際電感的一項重要參數——DCR，這也是低頻段電感的主要阻抗來源，這會在電感上造成損耗，影響電源的整體效率，DCR越大，效率越低。另外，電感值一定時，電感封裝越小，DCR越大（繞線越細）；封裝一定時，電感值越大，DCR越大（繞線越長）；電感值一定時，磁屏蔽電感的DCR要比非屏蔽的小。選型時盡量選擇DCR較小的電感，當然也要綜合應用和money來決定啦！

飽和電流Isat與有效值電流Irms

電感的飽和電流指電感的實際值將會下降一定比率時的電流，這通常是由於較大的電流使磁芯飽和導致的，這個比率一般在10%~30%，具體值手冊中會給出來。比如手冊中通常會給出如圖2所示的電流與感值關係曲線，假設電感達到飽和電流時感值降低30%，那麼從圖中看出4.7uH電感下降30%時，Isat為0.9A。

有效值電流Irms也叫做溫升電流，手冊中通常是指使電感溫度上升到40度的電流，Isat和Irms誰大誰小主要取決於電感是磁芯先飽和還是先達到溫度的限制。

當電感電流達到飽和時，電感值會快速下降，由上述公式可知，Irpp將會增大，這會增大交流傳導功耗；如果當電感電流峰值大於開關電源電路額定電流時，會導致電路不穩定；同時，較大的Irpp一定會增大輸出電壓紋波，降低系統性能。圖3、圖4是小編使用Isat為3.85A，但飽和電流下降率分別為25%和30%的電感測試的電流波形，我們可以看到在電流較大的情況下，電感下降的越厲害，Irpp越大。因此在電感的選擇上，應該使Isat和Irms中的最小值至少比開關電源的額定電流大1.3倍（在手機這種小尺寸電路板中，小封裝大電流的電感是很難找的，而且相對很貴。因此實際選用時，可以模擬該路電源工作在重載情況下，測試其最大電流，再來確定所選電感的電流）。

電感的比較

我們在2.1的公式中給出了電感最小值的計算公式，那麼同封裝下是不是大於計算感值的電感隨便選呢？當感值較小時，則電感具有更低了DCR、更小的功耗、更高的飽和電流以及更快速的瞬態響應。當感值較大時，則電感的Irpp更小，所以輸出的紋波電壓也更低，AC的傳導損耗會減小；另外對於給定輸出紋波的情況下，電感值增大，可以減小負載電容。如圖5所示，在輕負載時，感值越大，效率越高；在重負載時，電感越大，效率越低。

繞線電感和疊層電感又有什麼區別呢？一般，疊層電感相比繞線電感具有更小的體積；更低的DCR和AC損耗，所以在重負載、輕負載時效率都較高，如圖6所示。

需要注意的是，疊層電感具有更低的Isat，因此在電流稍大時，會增大輸出紋波，降低系統的性能，因而電流較大的開關電源電路中一般都使用繞線電感（像手機幾乎每路BUCK電源的額定電流都在2A以上，因此很少使用疊層電感）。

電感通常還分為帶磁屏蔽框的和不帶磁屏蔽框的，不帶磁屏蔽框的電感體積小而且便宜，但是會給電路造成嚴重的EMI，所以在手機這種敏感的無線設備應用中還是選擇帶有磁屏蔽框的電感吧。

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