电感 Q 值,也是电感的基本参数之一。不过在 DCDC 电路设计中,我们很少去考虑它,厂家一般也不会标注。那么电感的 Q 值到底是什么意思呢?我们什么时候要考虑呢?

 

还有这几个问题:

①为什么 DC-DC 电路设计中,为了降低发热,一般只考虑 DCR,而不考虑电感 Q 值呢?

②功率电感的 Q 值曲线是怎么样的?

③电感的 Q 值在自谐振频率处是最大的吗?

④电感的 Q 值是越大越好吗?

 

电感的 Q 值定义

电感的 Q 值也叫作品质因数,其为无功功率除以有功功率。简单理解的话,就是在一个信号周期内,无功功率为电感存储的能量,有功功率为电感消耗的能量。

 

 

因此,电感 Q 值主要衡量的是损耗情况。为什么这么说呢?

 

理想电感本身是不能消耗能量的,而实际的电感是有损耗的。电感在一个充放电周期内,储存并释放的能量为无功能量,而因为这个过程额外损耗的能量就是有功能量,损耗的能量主要作为热量耗散。而两者的比值就是电感的 Q 值。所以电感的 Q 值越高,损耗越小。

 

电感一般使用频率远小于其自谐振频率,因此寄生电容可以忽略,此时无功功率主要由电感产生,所以 Q 等于 wL 除以 Rs。

 

 

需要注意的是,这里的 Rs 并不是电感的直流导通电阻 Rdc,它包含了电感的所有损耗,我们可以称之为等效串联总电阻。

 

 

总电阻 Rs 包括这几个分量:电感线圈的直流导通电阻 Rdc;磁芯材料磁滞损耗和涡流损耗;趋肤效应造成的损耗(不同频率的损耗电阻 Rac 不同)。

 

实际上,Q 值的提高往往受到一些因素的限制,如导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗、铁芯和屏蔽引起的损耗以及高频工作时的集肤效应等。因此,线圈的 Q 值不可能做得很高,通常 Q 值为几十至一百。

 

功率电感为什么不考虑 Q 值

从前面 Q 值的定义看出,Q 值越小,损耗越高,而 DCDC 中电感选型我们从来没有说要考虑电感 Q 值,而仅仅只考虑 DCR,这是为什么呢?

 

 

在 BUCK 电路中,负载所获得的能量都是经过电感,而电感电流可以看作是直流 Idc 上面叠加交流 Iac,所以从电感输送过去的能量可以看作是两部分。一部分是直流电,一部分是交流电。

 

能量等于功率乘以时间,所以一个时间周期传输的能量大小分别对应图中的面积大小。

 

Buck 电路设计中,一般交流电流 Iac 的峰峰值为电感平均电流的 30%左右,因此,我们可以得到,直流电能量占总传递能量的 85%,而交流能量占 15%。

 

尽管我们一般并不知道功率电感的 Q 值是多少,但是电感在开关频率处的 Q 值总不会小于 10。而即使我们让 Q 等于 10 来计算,交流电流来的损耗也不过 1.5%左右。事实上,我上村田官网查询了功率电感的 Q 值,在 1Mhz 处,Q 值基本在 15-40 之间,因此交流能量带来的损耗应该是千分之几,是比较小的。正是因为如此,我们在 DCDC 电路中,一般不用去考虑电感的 Q 值,因为它的影响比较小。

 

与此同时,电感的直流电传递了 85%的能量给了负载,而其损耗主要由直流导通电阻 DCR 决定,因此,我们在选用电感的时候,主要去看 DCR 参数。为了减小发热,一般选用 DCR 值小的。

 

功率电感的 Q 值曲线

尽管功率电感选型时我们不需要考虑电感的 Q 值,但是感兴趣的话,我们还是可以看看它曲线。至少我们可以知道,在电感的自谐振频率处,电感的 Q 值是最小的,而不是最大的。

 

 

这是村田的 1264EY-4R7M 的 4.7uH 的电感,可以看到,在谐振频率处,Q 值最小,基本为 0。这是为什么呢?

 

这是因为在自谐振频率处,电感与其寄生电容谐振了,相当于一个电阻。或者从微观上看,进入电感的能量在其内部电容和电感中来回倒腾,并不能释放出来,只能通过 Rs 慢慢消耗掉。

 

从曲线我们也可以看出,在频率大于 100Khz 后,电感的损耗就不是主要由 Rdc 决定了,因为如果由 Rdc 决定,那么 Q 值应该随着频率线性增大。

 

那么总电阻 Rs 是多少呢?我们来计算 1Mh 处的 Rs。

 

根据公式 Q=jwL/Rs,Q=25,求得 Rs=1.18Ω。查看该电感规格书参数,Rdc=0.029Ω。由此可见,总的交流电阻要比 Rdc 大很多的。

 

 

什么时候要考虑电感的 Q 值

实际上,Q 值的大小取决于实际应用,并不是越大越好。例如,如果设计一个宽带滤波器,过高的 Q 值将使带内平坦度变坏。在电源去耦电路中采用 LC 滤波时,高 Q 值的电感和电容极容易产生自谐振状态,这样反而对谐振频率附近的噪声有所放大。

 

Q 值越高,电感的性能越接近于理想的无损电感,这也说明了它在谐振电路中的选择性更好,因此,谐振电路要选择高 Q 值电感。

 

一般来说,对于高频电感或者射频电感,一般对 Q 值有要求,需要注意。

 

 

以上就是我对电感 Q 值的一些简单理解,如有问题,欢迎参与讨论

 

村田电感参数查询网址:

https://ds.murata.co.jp/simsurfing/powerinductor.html?lcid=zh-cn