电源电路电感的作用(元器件电感的作用)

导语：电源电路的基本元器件（3）电感

电源电路的基本元器件（1）电阻

电源电路的基本元器件（2）电容

现代高频开关电源电路中常用的磁性元件有输出级的直流滤波电感、谐振电感、输入级的共模滤波电感、差模滤波电感、高频开关变压器、驱动变压器和电流互感器等磁性元件。这些磁元件与电路元件结合在一起协调工作，构成开关电源的电路。为了简化分析,应用安培环路定律和电磁感应定律，将磁性元器件的电磁关系简化为电路关系：自感、互感和变压器。

电感是闭合回路的一种属性，是一个物理量。当电流通过线圈后，在线圈中形成磁场感应，感应磁场又会产生感应电流来抵制通过线圈中的电流。它是描述由于线圈电流变化，在本线圈中或在另一线圈中引起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。

导体的一种性质，用导体中感生的电动势或电压与产生此电压的电流变化率之比来量度。稳恒电流产生稳定的磁场，不断变化的电流(交流)或涨落的直流产生变化的磁场，变化的磁场反过来使处于此磁场的导体感生电动势。感生电动势的大小与电流的变化率成正比。比例因数称为电感，以符号L表示，单位为亨利(H)。

电感是闭合回路的一种属性，即当通过闭合回路的电流改变时，会出现电动势来抵抗电流的改变。这种电感称为自感（self-inductance），是闭合回路自己本身的属性。假设一个闭合回路的电流改变，由于感应作用而产生电动势于另外一个闭合回路，这种电感称为互感（mutual inductance）。

自感：当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势（感生电动势）（电动势用以表示有源元件理想电源的端电压），这就是自感。

互感：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。互感的大小取决于电感线圈的自感与两个电感线圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

开关电源设计的一个关键要素是在功率开关管导通时，要找到一种方式将能量储存起来，当开关管关断时将储存能量提供给负载而维持电流连续。除了负载电流需求极小的情况下，电感都是AC/DC转换过程中必不可少的元件，用于维持电流的连续。

现在绝大多数电感可以从许多供应商那里买到现成的，电源设计者仍需要有基本的磁性材料知识。电感中的能量存储在磁场中，该磁场是由导体上线圈(与磁芯耦合在起)通过一定的电流产生的。磁场随着电流的增加而建立，然后使电流在磁场消失时继续流动。

自感现象，顾名思义就是自身的电磁感应现象。它的详细定义是：当回路中导体的电流发生变化时，它周围的磁场就随着变化，即由此电流所产生的穿过回路本身所围面积的磁通量也随着变化，因而在导体中就产生感应电动势，这个电动势总是阻碍导体中原来电流的变化，这种现象就叫做自感现象。由自感应所产生的电动势称为自感电动势。

如图所示，考虑一个闭合回路，设其中电流为I。

根据毕奥-萨伐尔定律（恒定电流元激发磁场的基本规律。提出者是毕奥、萨伐尔。），此电流在空间任一点产生的与磁感应强度B与I成正比，推理得磁通量φL也与回路中的电流I成正比，即φL∝I。

若回路中有N匝，且穿过每一匝线圈的磁通量φL基本相同，则这个N匝线圈中的自感磁链ΨL=NφL，且该自感磁链ΨL也与电流I成正比，即ΨL∝I。

为了表明各个线圈产生自感磁链的能力，将线圈的自感磁链与电流的比值叫做线圈（或回路）的自感系数（或自感量），简称自感，用符号“L”表示，L=ΨL/I=NφL/I。

自感系数L是一个比例系数，它在量值上等于线圈中的电流为一个单位时通过线圈的磁链。在国际单位中，自感系数的单位为亨利（H），1H=1Wb/A。和电感一样，由于亨利的单位较大，实用中常采用豪亨（mH）或微亨（μH），它们的关系为1H=103mH=106μH。

自感理解起来其实也不难，在没有互感作用的情况下，其实自感就是电感。类似于电阻和电容，自感就是表征线圈本身电磁性质的物理量，它仅由线圈的形状、大小、匝数及周围磁介质的分布所决定，在无其他铁磁质的情况下，它与线圈中的电流无关，就好比导线的电阻与加在导体两端的电压、流过导体的电流无关一样。

自感现象也必定伴随着感应电动势的产生，这个感应电动势就是自感电动势，由法拉第电磁感应定律可知，线圈中的自感电动势为e=-ΔΨ/Δt=-LΔI/Δt。

电源电路中的电感

电感元器件是开关电源输出端中的LC滤波电路中的“L”在降压转换中，电感的一端是连接到DC输出电压。另一端通过开关频率切换连接到输入电压或GND。

对于Buck电路来说，在上MOSFET导通的时候，电感会通过MOSFET连接到输入电压。在下MOSFET导通的时候，电感连接到GND。

由于使用Buck控制器，可以采用两种方式实现电感接地：通过二极管接地或通过MOSFET接地。如果是前一种方式，转化器称为异步方式。后一种方式，转换器就称为同步方式。

在状态1过程中，电感的一端连接到输入电压，另一端连接到输出电压。对于一个降压转换器，输入电压必须比输出电压高，因此会在电感上形成正向压降。

在状态2过程中，原来连接到输入电压的电感一端被连接到地。对于一个降压转换器，输出电压必然为正端，因此会在电感上形成负向的压降。

电感电压计算公式:V=L(dI/dt)

因此，当电感上的电压为正时（状态1），电感上的电流就会增加；当电感上的电压为负时（状态2），电感上的电流就会减小。

当脉冲电压施加给电感时，电压电流特性如图：

在Buck电路上实测的电感上的电压和电感上的电流，如下图所示：

通过上图我们可以看到，流过电感的最大电流为DC电流加开关峰峰电流的一半。上图也称为纹波电流。根据上述的公式，我们可以计算出峰值电流：其中，ton是状态1的时间，T是开关周期，DC为状态1的占空比。

同步转换电路

异步转换电路

Rs为感应电阻阻抗加电感绕线电阻的阻。Vf是肖特基二极管的正向压降。R是Rs加MOSFET导通电阻，R=Rs+Rm。

电感磁芯的饱和度

通过已经计算的电感峰值电流，我们会知道，随着通过电感的电流增加，它的电感量会衰减。这是由于磁芯材料的物理特性决定的。电感量会衰减多少非常关键，重要：如果电感量衰减过大，转换器就不会正常工作了。当通过电感的电流大到电感失效的程度，此时的电流称为“饱和电流”。这也是电感的基本参数。

转换电路中的功率电感会有一个饱和曲线非常关键，值得注意。要了解这个概念可以观察实际测量的LvsDC电流的曲线：

当电流增加到一定程度后，电感量就会急剧下降，这就是饱和特性。如果电流再增加，电感就会失效了。

有了这个饱和的特性，我们就可以知道在所有的转换器中为什么都会规定在DC输出电流下的电感值变化范围（△L≤20%或30%），电感规格书上为什么会有Isat这个参数了。由于纹波电流的变化不会严重影响电感量。在所有的应用中都希望纹波电流尽量的小，因为它会影响输出电压的纹波。这也就是为什么大家总是很关心DC输出电流下的电感量的衰减程度，而会在规格书中忽略纹波电流下的电感量的原因。

电感具体的设计过程，详情点击：

【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

另外电感还会用在输入端，详情点击：

DCDC电源输入电感的作用是什么？

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