1.如何正确的为开关电源选择合适的电感

中心话题：讨论电源选择正确工作频率的方法和解决方案：较高的工作频率可以减小电感的体积。使用更低的电容或更少的电容来选择电源的最佳工作频率是一个复杂的权衡过程，包括尺寸、效率和成本。一般来说，低频设计往往效率最高，但尺寸最大，成本最高。虽然提高频率可以降低尺寸和成本，但会增加电路损耗。

接下来，我们用一个简单的降压电源来描述这些权衡。

让我们从过滤器组件开始。这些元件占据了大部分电源体积，滤波器的大小与工作频率成反比。

另一方面，每一次切换都会伴随着能量损失；工作频率越高，开关损耗越高，效率越低。其次，更高的工作频率通常意味着可以使用更小的元件值。因此，更高频率的操作可以带来巨大的成本节约。

图1显示了降压电源的频率和音量之间的关系。频率是

100 kHz时，电感占据了大部分电源体积(深蓝域)。如果我们假设电感的体积和它的能量有关，那么它的体积减少将和频率成正比。上述假设在这种情况下并不乐观，因为在某一频率下电感的磁芯损耗会大大增加，这将限制尺寸的进一步缩小。如果在此设计中使用陶瓷电容，输出电容体积(棕域)将随着频率降低，即所需电容降低。

另一方面，通常选择输入电容是因为其纹波电流额定值。这种额定值不会随频率而显著变化，因此其体积(面积)通常可以保持不变。另外，电源的半导体部分不随频率变化。这样，由于开关频率低，无源器件将占据大部分电源体积。当我们切换到高工作频率时，半导体(即半导体体积，浅蓝域)开始占据更大比例的空间。

图1:电源组件的体积主要由半导体占据。

图1:电源组件的体积主要由半导体占据。曲线图表明，半导体体积本质上不随频率变化，这种关系可能过于简化。与半导体相关的损耗主要有两种：传导损耗和开关损耗。同步降压转换器的传导损耗与MOSFET的芯片面积成反比。MOSFET面积越大，其电阻和传导损耗越低。

开关损耗与MOSFET的开关速度和MOSFET的输入输出电容大小有关。这些都和设备的大小有关。大容量设备的开关速度较慢，电容较大。画

图2显示了两个不同工作频率(f)之间的关系。传导损耗(Pcon)与工作频率无关，而开关损耗(Psw

F1和Psw

F2)与工作频率成正比。因此，较高的工作频率(Psw

F2)将产生更高的开关损耗。当开关损耗和传导损耗相等时，各工作频率的总损耗最低。另外，随着工作频率的增加，总损耗会更高。然而，在较高的工作频率下，最佳管芯面积较小，这导致成本节约。实际上，在低频下，通过调整管芯面积来最小化损耗将导致极高的设计成本。但是，在切换到更高的工作频率后，我们可以优化芯片面积以减少损耗，从而减少电源的半导体体积。

图2:提高工作频率会导致更高的总损耗。

图2:提高工作频率会导致更高的总损耗。如前所述，较高的工作频率可以减小电感体积；所需的内芯板将会减少。更高的频率还可以降低对输出电容的要求。对于陶瓷电容，我们可以使用更低的电容或更小的电容。这有助于减小半导体管芯的面积，从而降低成本。

2.如何为射频电路选择适合的电感(2)

如何为射频电路选择适合的电感

RF电感的用途

大部分电子器件都含有RF电感。“为了跟踪动物，在我们家养动物的皮肤中植入的玻璃管内部都含有一个电感”，普莱默公司的一位研发工程师MariadelMarVillarrubia说，“每次启动汽车的时候两个电感之间都会产生无线通信，一个在汽车内部，另一个在钥匙内部。”不过，正如这种元件的无所不在一样，RF电感也有着非常具体的用途。

在谐振电路中，这些元件通常与电容结合使用，以便选择特定的频率（如振荡电路、压控振荡器等）。

RF 电感也可以用于阻抗匹配应用，以便实现数据传输线的阻抗平衡。这是为了确保IC间高效的数据传输所必需的。作为RF扼流圈使用时，电感串联在电路中，起到RF滤波器的作用。简单来说，RF扼流圈是个低通滤波器，它会给较高的频率造成衰减，而较低的频率则畅通无阻。

Q值是什么

在讨论电感性能时，Q值是最重要的衡量指标。Q值是一种衡量电感性能的指标，它是一个无量纲的参数，用于比较振荡频率和能量损耗速率。Murata公司的高级产品经理DerylJ.Kimbro说：“Q值越高，电感的性能就越接近于理想的无损电感。也就是说，它在谐振电路中的选择性更好。”高Q值的另一个好处是损耗低，也就是说电感消耗的能量少。

低Q值会造成带宽较宽，而且在振荡频率处及其附近的谐振幅度较低。

电感值

除了Q因子以外，电感的真正的量度当然是它的电感值。对于音频和电源应用而言，电感取值通常是数亨利，而较高频率应用通常需要小得多的电感，通常在毫亨或微亨范围内。电感值取决于几个因素，其中包括结构、铁芯尺寸、铁芯材料以及实际的线圈匝数。电感既有电感值固定的.，也有电感值可调的。

其他规格

电感值并不是唯一重要的取值。直流电阻、电流以及自谐振频率（SRF）是RF电感的数据单中所提供的一些更加有用的规格。delMarVillarrubia说：“根据应用场合的不同，每种特性都可能是需要重点考虑的因素并决定其他特性。例如，如果元件将用在轮胎压力监测系统中，那么电感在很宽的温度范围内的稳定性是很重要的，而这种要求将会确定磁芯的选择。

额定电流

在选择电感时，工作电流应该低于说明书中的额定电流。如果工作电流超过额定电流，就可能会损坏产品。

直流电阻（DCR）

Kimbro称，直流电阻（DCR）与额定电流有很大的关联。以线圈电阻为基准，直流电阻等于电感的损耗。如果绕线的直径增加，那么直流电阻会减小，而额定电流会增加。

较大的绕线直径降低了损耗并改善了电流处理能力。Vishay 公司电感部门的产品市场经理Doug Lillie说：“直流电阻会限制在不过热或不发生饱和（感应系数急剧降低）的情况下器件可以传输的直流电流。”

自谐振频率（SRF）

电感中的每一匝绕线都可以看成一块电容器极板，匝与匝之间以及线圈与铁芯之间电容的总体效果可以用与电感并联的单个电容来表示，称为分布电容（Cd）。这种并联结构的谐振频率就称为自谐振频率（SRF）。Lillie说：“在此频率，电感看起来像带有阻抗的纯电阻。如果频率超过自谐振频率，这种并联结构的容抗将成为主要因素。

叠层片式电感是使用陶瓷材料结构通过集成工艺制成的。陶瓷材料结构可以在高频处提供很好的性能，而叠层片式工艺可以提供各种各样的电感值。叠层片式器件的电感值范围要比薄膜或空芯线圈类的电感广，但是比不上线绕式元件的电感取值范围或额定电流。叠层片式技术因其很好的电特性，特别是其低廉的成本，而越来越流行。

薄膜电感是使用光刻工艺生产的，这种工艺可以在陶瓷基底上生产出非常精确的线圈模式，从而满足苛刻的电感公差。陶瓷基板使得这些电感成为RF应用的理想元件。但是，薄膜电感能传输的电流较小，而且电感值范围有限。

线绕式电感

线绕式电感通常用于低频应用之中。线绕式电感是将铜线绕在陶瓷（氧化铝）磁芯上制成的。因其结构和材料的原因，线绕式电感可以提供很好的电特性。水平绕线结构使得公差很小而杂散电容很小，而铜线使得直流电阻很小，从而增加了品质因子性能以及额定电流。

锥形电感

锥形电感是面向宽带和高频应用的，它的结构可以展宽线圈的带宽。锥形电感的实际尺寸较小，通常是用细线绕成的，因此杂散电容较小。在超宽带Bias-T 器件中，锥形电感同时提供了直流偏置提取或注入路径，它可以将电源与有源器件隔离。

磁芯的选择

高频器件通常使用空心或惰性（也就是陶瓷）磁芯。它们提供了比磁性铁芯更好的热性能，但是其电感取值有限。中频器件通常采用铁芯。铁芯不会饱和，但是无法提供铁氧体磁芯那样的大电感值。低频器件通常使用铁氧体磁芯。应该尽可能地避免使用铁氧体磁芯，因为它们会在较小的Idc值处饱和，而且会受温度的影响（△L/△T）。

3.求电感的绕线方法。

第一种缠绕方法：单层缠绕法

单层缠绕法就是将电感线圈的线匝以单层的方式缠绕在绝缘管道的外表面上，单层缠绕的方法又分为间接缠绕和紧密缠绕，间接缠绕一般用于一些高频谐振的电路中，因为这种方式的缠绕方法可以将高频谐振线图的电容减少，同时还能将其一些特性稳定。紧密的缠绕方式基础是一些谐振线圈范围比较小的线圈。

第二种缠绕方法：多层缠绕法

大电感量的电感线圈的绕制方法：电感量为几百微亨以上的线圈，应用多层绕法，多层绕法又可分为多层密绕和蜂房式绕法两种：

多层密绕是指漆包线一层层的紧密排列，这种绕法的分布电容比较大；

蜂房式绕法：绕匝间不是平衡排列，而是具有一定的角度，这种绕法分布电容较小，但绕线时需要用蜂房式绕线机。

一般的高频扼流圈，由于要求有较大的电感量和较小的体积，而对电感量的精度、Q值及稳定性要求不高，大多都采用多层密绕。

4.贴片电感的选择原则

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2.2μH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一般定义为电感值降量为额定值的30[[%]]时的直流电流。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℃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。ESR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℃，故应该索取工作温度范围内的相关数据。最坏情况一般是85℃。

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=2MHz，VIN=5.5V，L=2.2 μH，VOUT=1.5V，I=0

到600MA，ΔI=289MA (计算值)。

参见图3，2.2μH额定电感在低频下的DCR为0.2Ω，2MHz下的ESR为1Ω。电感引起的直流损耗和交流损耗可用下式计算：

DC损耗=I2×DCR

AC损耗=(dΔI2)/12×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。ΔI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，I=600MA时，电感总体损耗的91[[%]]是直流损耗；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。

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(WireWoundcoil)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。

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℃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。

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3.3μH代替2.2μH)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DCR较低。

5.绕线项圈及绕线技巧

环形线圈绕线电感在当今的电路中应用比较广泛的一种元件，它的电感量一般只有几个或几十个微亨。这种线圈的Q值一般都比较高，大多数是用于高频电路中。在许多电路中我们都能看到它的踪影，虽然它的电感量不大。

但Q值却比较高，是高频电路的最佳选择。在单层电感线圈的设计中，它的线路缠绕的方式通常采用密绕法、间绕法和脱胎绕法三种。

环形线圈绕线电感的绕制方法：

1、单层缠绕法：就是将电感线圈的线匝以单层的方式缠绕在绝缘管道的外表面上，单层缠绕的方法又分为间接缠绕和紧密缠绕，间接缠绕一般用于一些高频谐振的电路中，因为这种方式的缠绕方法可以将高频谐振线图的电容减少。

同时还能将其一些特性稳定。紧密的缠绕方式基础是一些谐振线圈范围比较小的线圈。

2、多层缠绕法：环形线圈的电感量比较大的，线圈的缠绕方式是多层的缠绕方法，多层的缠绕方法包括密绕和蜂房缠绕两种类型，密绕的方式排列比较紧密，需要一层一层的分布，它缠绕的线圈产生的电容比较大。

蜂房缠绕的方式是在一定角度上进行排列，它的排列不是非常平整，但是跟紧密的缠绕方法相比较，它的电容比较小。