Part 01、前言
电感是开关电源设计中的核心元件,其选择直接影响电路的性能和可靠性。合理的电感选择可以优化效率和稳定性,而不当选择可能导致性能下降甚至电路故障。比如电感的直流电阻DCR影响效率,较低的DCR可减少功率损耗。电感的额定电流,以及饱和电流。
其中,饱和电流尤为重要,直接关系到电感的实际工作能力。电感的饱和特性相信大家已经很熟悉了,那你知道吗?电感的饱和又分为软饱和和硬饱和,接下来我们就详细讲解一下电感的软饱和和硬饱和特性以及在DCDC电路设计里的作用吧。
Part 02、电感饱和电流的定义与特性
电感数据手册中,饱和电流通常定义为:在无电流状态下,使电感值从标称值下降特定百分比,如30%的直流电流。这一定义表明,饱和电流是电感性能的临界点,但其具体值因厂家的不同而不同,并且饱和切入点具有一定随意性。
当电感中的直流电流达到饱和电流时,电感量会下降,磁芯材料的不同导致反应差异,饱和行为可分为以下两种类型:
硬饱和:一旦达到饱和点,电感量急剧下降,适用于实心磁芯绕制电感器。
软饱和:电感量逐渐减小,常见于粉末磁芯功率电感器。
电感的饱和特性与其磁芯材料密切相关。硬饱和电感在超过饱和点后性能骤降,这就需要严格控制电流;软饱和电感则在高电流下表现更稳定。比如下图中蓝色线就是软饱和电感的电感量&电流曲线,红色线是硬饱和电感的电感量&电流曲线,明显可以看出当电流达到饱和电流后,硬饱和电感的电感量急剧下降。
电感量急剧下降后,对DCDC电源来说,意味着什么呢?
一旦电流超过饱和点,电感量会迅速降低,导致输出电压不稳定,并且硬饱和时电感磁芯饱和,增加了损耗,尤其在高负载条件下表现明显。饱和导致电流集中,容易引发局部过热,从而会损坏电感。硬饱和电感对负载电流的快速变化反应迟钝,可能导致输出电压波动或失控。所以我们在电感选型时需预留较大安全裕度以避免饱和,从而增加了设计成本。
举个例子,硬件工程师需根据应用需求选择合适的电感。针对铁氧体磁芯和硬饱和特性,一般需要选择Isat额定值高于实际需求的电感,以避免电感量急剧下降。例如:比如DCDC电源中电感的峰值电流是1.4A,如果我们选一个采用铁氧体材料的硬饱和电感,一旦峰值电流达1.4 A,电感量会下降,电路可能失稳。
我们就需要选2A甚至更高饱和电流的电感来应对这个问题,来避免硬饱和风险,而选用软饱和电感就不需要这么大的余量了。
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