电感种类和特性分析及选型指南 1

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电感种类和特性分析及选型指南 1

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图3所示为TDK所制之PC47锰锌铁氧体与MICROMETALS所制之铁粉芯-52及-2的B-H曲线；锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯，饱和磁通密度也相差很多，铁氧体约5000高斯而铁粉芯大于10000高斯以上。

% q: X6 P6 e) R1 N3 j' n; q图3、锰锌铁氧体与不同材质铁粉芯的B-H曲线
( H+ t4 R+ Y! a5 Y9 R: \综合上述，铁芯饱和特性各有不同；一旦超过饱和电流，铁氧体铁芯的磁导率会陡降，而铁粉芯则可缓慢降低。图4所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。这也解释了铁氧体铁芯电感，因磁导率在铁芯饱和时骤降，由式（1）可知，也造成电感量骤降；而有分布式气隙的粉末铁芯，磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降，因此电感量也降低得比较缓和，即有较好的直流偏置特性。在电源转换器的应用中，此特性很重要；若电感的缓饱和特性不佳时，电感电流上升到达饱和电流，电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升，容易造成损坏。
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图4、粉末铁芯与有气隙的铁氧体铁芯在不同磁场强度下的磁导下降特性
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0 g, |4 I1 e' `; B) v& q2 w! }电感器之电气特性及封装结构在设计开关转换器并挑选电感器时，电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR与Q值（quality factor）、额定电流IDC与ISAT、以及铁芯损失（core loss）等等重要的电气特性都必须考虑。此外，电感器的封装结构会影响漏磁大小，进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性，以作为选择电感器之考虑。

1. 电感值（L）电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数，但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下，以100 kHz或1 MHz所量得。且为确保大量自动化生产的可能性，电感之容差值（tolerance）通常是 ±20%（M）与±30%（N）居多。图5为利用Wayne Kerr的LCR表量测Taiyo Yuden 电感NR4018T220M之电感－频率特性图，如图所示，在5 MHz之前电感值的曲线较为平坦，电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振，电感值会上升，此谐振频率称为自我谐振频率（self-resonant frequency；SRF），通常需远高于工作频率。

图5、Taiyo Yuden NR4018T220M电感-频率特性之量测图
2. 阻抗（Z）如图6，从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比（Z=2πfL），因此频率愈高，电抗会比交流电阻大很多，所以阻抗表现就如同纯电感（相位为90˚）。而再往高频，由于寄生电容效应，可以看到阻抗的自我谐振频率点，过了此点阻抗下降呈现电容性，且相位逐渐转为-90 ˚。
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图6、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之阻抗－频率特性
$ J9 g! G" \  z1 Z3. Q值与交流电阻（ACR）Q值在电感的定义中为电抗与电阻的比值，也就是阻抗中虚数部分与实数部分的比，如式（2）。
（2）

其中XL为电感器之电抗，RL为电感器之交流电阻。
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) B7 }$ ?- F; I, ?; |在低频段，交流电阻比电感造成的电抗大，所以其Q值很低；随着频率增加，电抗（约为2πfL）愈来愈大，即使电阻因集肤效应（skin effect）与邻近（proximity effect）效应愈来愈大，Q值仍随频率增加；在接近SRF时，电感抗逐渐为电容抗抵消，Q值又逐渐变小；在SRF时变为零，因电感抗与电容抗完全相消。图7为NR4018T220M之Q值与频率的关系图，其关系呈现倒钟形。


图7、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之Q值与频率的关系图
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在电感的应用频段里，Q值愈高愈好；表示其电抗远大于交流电阻。一般而言，Q值最好达到40以上，表示此电感的质量佳。然而，一般随直流偏置增加，电感值会下降，Q值也会降低。若采用扁平漆包线或多股漆包线，可以降低集肤效应，即交流电阻，也就可以提升电感的Q值。

直流电阻DCR一般多认为是铜线的直流电阻，此电阻可依线径与长度计算。然而大部分小电流SMD电感在绕线终端会用超音波焊接做SMD的铜片，但因为铜线长度不长，电阻值不高，因此焊接电阻常会占整体直流电阻相当的比例。以TDK之绕线式SMD电感CLF6045NIT-1R5N为例，其量测直流电阻为14.6mΩ，而依线径及长度计算之直流电阻为12.1mΩ。结果显示此焊接电阻约占整体直流电阻的17%。
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交流电阻ACR则因有集肤效应与邻近效应，而会造成ACR随频率增加；一般电感的应用，因交流成份远低于直流成份，所以ACR造成的影响并不明显；但是在轻载时，因为直流成份降低，ACR造成的损耗便不能忽略。集肤效应即在交流的条件下，导体内部电流分布不均匀而集中在导线的表面，造成等效导线截面积降低，进而使导线的等效电阻随频率提高。另外，在一个导线绕组中，相邻的导线会因电流造成磁场的相加减，使得电流集中在导线邻近的表面（或最远的表面，视电流方向而定），同样造成等效导线截面积降低，等效电阻提高的现象，即所谓的邻近效应；在一个多层绕组的电感应用里，邻近效应更是明显。
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% R" ^5 |9 v$ Q) Z0 s6 p# y图8为绕线式SMD电感NR4018T220M的交流电阻与频率关系图。在频率为1kHz时，电阻约为360mΩ；到了100kHz，电阻上升到775mΩ；在10MHz时电阻值接近160Ω。在估算铜损时，其计算须考虑集肤与邻近效应造成的ACR，并修正成式（3）。

% ~) [2 u+ ^- b) R  z8 {/ l （3）
IAC,i为某谐波频率的RMS电流，RAC,i为该频率下之交流电阻。
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$ a! s6 I: ^; M; A+ r/ t- b图8、NR4018T220M之交流电阻与频率关系图
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3 y& v2 S4 ^3 s: Z9 K9 l: V& K4. 饱和电流（ISAT）饱和电流ISAT一般是标注在电感值衰减如10%、30%或40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言，因其饱和电流特性非常急遽，10%与40%相差不大，可参考图4。但如果是铁粉芯（如冲压式电感），饱和曲线比较缓和，如图9，电感衰减10%或40%的偏置电流相差很多，因此就饱和电流值，二种铁芯将分开探讨如下。

* u0 x9 v- B, }+ A9 M3 M9 F& w/ E1 }对于一个气隙铁氧体，以ISAT作为电路应用最大的电感电流上限点是合理的。但如果是铁粉芯，因为缓饱和特性，即便应用电路最大电流超过ISAT也不会发生问题，因此这种铁芯特性最适合开关转换器的应用。在重载时，虽然电感器之电感值较低，如图9，造成电流涟波因子较高，但现今的电容电流耐受度高，因此并不会成为问题。在轻载时，电感器之电感值较大，有助于降低电感的涟波电流，进而降低铁损。图9比较了TDK之绕线式铁氧体SLF7055T1R5N及冲压式铁粉芯电感SPM6530T1R5M，在相同电感标称值下的饱和电流曲线。

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