电源电路常用元器件详解（三）—

其实电源电路常用元器件详解（三）——电感应用与特性的问题并不复杂，但是又很多的朋友都不太了解，因此呢，今天小编就来为大家分享电源电路常用元器件详解（三）——电感应用与特性的一些知识，希望可以帮助到大家，下面我们一起来看看这个问题的分析吧！

电源电路的基本元件（2）电容器

现代高频开关电源电路中常用的磁性元件有输出级直流滤波电感、谐振电感、输入级共模滤波电感、差模滤波电感、高频开关变压器、驱动变压器、电流互感器等。磁性元件。这些磁性元件和电路元件一起工作就构成了开关电源电路。为了简化分析，应用安培回路定律和电磁感应定律，将磁性元件的电磁关系简化为电路关系：自感、互感和变压器。

电感是闭环的一个属性，是一个物理量。当电流通过线圈时，线圈中会感应出磁场，感应磁场产生感应电流来抵抗通过线圈的电流。它是描述由于线圈电流变化而在这个线圈或另一个线圈中引起的感应电动势效应的电路参数。电感是自感和互感的总称。提供电感的器件称为电感器。

导体的一种特性，通过导体中感应的电动势或电压与产生该电压的电流变化率的比率来测量。稳定的电流会产生稳定的磁场，变化的电流（AC）或波动的直流会产生变化的磁场。变化的磁场又使该磁场中的导体感应出电动势。感应电动势的大小与电流的变化率成正比。比例因子称为电感，用符号L表示，单位为亨利（H）。

电感是闭环的一种特性，当通过闭环的电流发生变化时，会产生电动势来抵抗电流的变化。该电感称为自感，是闭环本身的属性。假设一个闭环中的电流发生变化，则由于感应而在另一个闭环中产生电动势。这种电感称为互感。

自感：当电流流过线圈时，线圈周围会产生磁场。当线圈中的电流发生变化时，其周围的磁场也会发生相应的变化。这种变化的磁场可以使线圈本身产生感应电动势（感应电动势）（电动势用来表示有源元件理想电源的端电压）。这是自我感觉。

互感：当两个感应线圈彼此靠近时，一个感应线圈的磁场变化会影响另一个感应线圈。这种效应就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈之间的耦合程度。利用这一原理制成的元件称为互感器。

开关电源设计的一个关键要素是找到一种在电源开关打开时存储能量的方法。当开关关闭时，存储的能量被提供给负载以保持电流的连续性。除负载电流需求极小时外，电感器是AC/DC 转换过程中维持电流连续性的重要元件。

既然大多数电感器都可以从许多供应商处购买现成的，电源设计人员仍然需要具备磁性材料的基本知识。电感器中的能量存储在磁场中，该磁场是由一定电流通过导体上的线圈（耦合到磁芯）而产生的。磁场随着电流的增加而增强，然后当磁场消失时电流继续流动。

自感应现象，顾名思义，就是自身的电磁感应现象。其详细定义是：当回路中导体的电流发生变化时，其周围的磁场发生变化，即电流通过回路本身所包围的区域所产生的磁通量也发生变化，因此在导体中An产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原有电流的变化。这种现象称为自感应。自感应产生的电动势称为自感电动势。

如图所示，考虑一个闭环，设其中的电流为I。

根据毕奥-萨伐尔定律（恒流元件激发磁场的基本定律。由毕奥和萨伐尔提出），空间任意点产生的电流与磁感应强度B和I成正比，磁感应强度B和I成正比。由此推导出L 也与回路中的电流I 成正比，即LI。

若回路中有N匝，且通过每匝线圈的磁通L基本相同，则N匝线圈中的自感磁链L=NL，且自感磁链L L也与电流I成正比，即LI。

为了表示各线圈产生自感磁通的能力，将线圈的自感磁通与电流的比值称为该线圈（或回路）的自感系数（或自感），简称为自感，用符号“L”表示，L=L/I=NL/I。

自感系数L是一个比例系数，其大小等于线圈中电流为1个单位时通过线圈的磁链。在SI单位中，自感系数的单位是亨利（H），1H=1Wb/A。与电感一样，由于亨利的单位较大，因此实际中常用mH或微亨（H）。它们的关系是1H=103mH=106H。

自感并不难理解。在没有互感的情况下，自感实际上就是电感。自感与电阻、电容类似，是代表线圈本身电磁特性的物理量。它仅由线圈的形状、尺寸、匝数和周围磁介质的分布决定。在没有其他铁磁材料的情况下，它与线圈密切相关。导体中的电流与之无关，就像导线的电阻与施加在导体上的电压和流过导体的电流无关一样。

自感应现象还必然伴随着感应电动势的产生。该感应电动势就是自感应电动势。根据法拉第电磁感应定律，线圈中的自感电动势为e=-/t=-LI/t。

电源电路中的电感器

电感元件就是开关电源输出端LC滤波电路中的“L”。在降压转换中，电感器的一端连接到直流输出电压。另一端通过开关频率切换连接至输入电压或GND。

对于Buck电路来说，当上部MOSFET导通时，电感通过MOSFET连接到输入电压。当下部MOSFET 导通时，电感器连接至GND。

由于使用了Buck 控制器，电感接地可以通过两种方式实现：通过二极管接地或通过MOSFET。如果是前一种方法，则转换器称为异步。后一种方法，转换器称为同步方法。

在状态1 期间，电感器的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于降压转换器，输入电压必须高于输出电压，从而在电感器上产生正向压降。

在状态2 期间，最初连接到输入电压的电感器一端接地。对于降压转换器，输出电压必须为正，因此电感上将形成负压降。

电感电压计算公式：V=L(dI/dt)

因此，当电感两端的电压为正时（状态1），流经电感的电流增加；当电感器两端的电压为负时（状态2），通过电感器的电流减小。

当对电感施加脉冲电压时，其电压和电流特性如下：

在Buck电路上测得的电感上的电压和电感上的电流如下图所示：

从上图我们可以看出，流过电感的最大电流是直流电流加上开关峰峰值电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上式，我们可以计算出峰值电流：其中ton为状态1的时间，T为开关周期，DC为状态1的占空比。

同步转换电路

异步转换电路

Rs 是传感电阻器的电阻加上电感器绕组的电阻。 Vf 是肖特基二极管的正向压降。 R为Rs加上MOSFET导通电阻，R=Rs+Rm。

电感磁芯饱和

从计算出的电感峰值电流可知，随着流过电感的电流增大，其电感量将会衰减。这是由于芯材的物理特性造成的。电感衰减多少非常关键：如果电感衰减太多，转换器将无法正常工作。当流经电感的电流很大以致于电感失效时，此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感器的基本参数。

转换电路中的功率电感会有一个饱和曲线，这一点非常关键，应该注意。要理解这个概念，请查看实际测量的LvsDC 电流曲线：

当电流增大到一定程度时，电感量会急剧下降，这就是饱和特性。如果电流进一步增加，电感器就会失效。

有了这个饱和特性，我们就可以知道为什么所有转换器都规定了直流输出电流下的电感值变化范围（L20%或30%），以及为什么电感规格书中参数中有Isat。因为纹波电流的变化不会严重影响电感。在所有应用中，希望纹波电流尽可能小，因为它会影响输出电压纹波。这就是为什么大家总是关心DC输出电流下的电感衰减，而在规格书中却忽略了纹波电流下的电感。

电感器的具体设计流程，请点击此处查看详情：

【开关电源系列】Buck电路选择输出电感

开关电源输出电感的DCR温度补偿

另外，输入端也会使用电感。详情请点击：

DCDC电源输入电感的作用是什么？