電源電路的基本元器件（1）電阻

電源電路的基本元器件（2）電容

現代高頻開關電源電路中常用的磁性元件有輸出級的直流濾波電感、諧振電感、輸入級的共模濾波電感、差模濾波電感、高頻開關變壓器、驅動變壓器和電流互感器等磁性元件。這些磁元件與電路元件結合在一起協調工作，構成開關電源的電路。為了簡化分析,應用安培環路定律和電磁感應定律，将磁性元器件的電磁關系簡化為電路關系：自感、互感和變壓器。

電感是閉合回路的一種屬性，是一個物理量。當電流通過線圈後，在線圈中形成磁場感應，感應磁場又會産生感應電流來抵制通過線圈中的電流。它是描述由于線圈電流變化，在本線圈中或在另一線圈中引起感應電動勢效應的電路參數。電感是自感和互感的總稱。提供電感的器件稱為電感器。

導體的一種性質，用導體中感生的電動勢或電壓與産生此電壓的電流變化率之比來量度。穩恒電流産生穩定的磁場，不斷變化的電流(交流)或漲落的直流産生變化的磁場，變化的磁場反過來使處于此磁場的導體感生電動勢。感生電動勢的大小與電流的變化率成正比。比例因數稱為電感，以符号L表示，單位為亨利(H)。

電感是閉合回路的一種屬性，即當通過閉合回路的電流改變時，會出現電動勢來抵抗電流的改變。這種電感稱為自感（self-inductance），是閉合回路自己本身的屬性。假設一個閉合回路的電流改變，由于感應作用而産生電動勢于另外一個閉合回路，這種電感稱為互感（mutual inductance）。

自感：當線圈中有電流通過時，線圈的周圍就會産生磁場。當線圈中電流發生變化時，其周圍的磁場也産生相應的變化，此變化的磁場可使線圈自身産生感應電動勢（感生電動勢）（電動勢用以表示有源元件理想電源的端電壓），這就是自感。

互感：兩個電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化将影響另一個電感線圈，這種影響就是互感。互感的大小取決于電感線圈的自感與兩個電感線圈耦合的程度，利用此原理制成的元件叫做互感器。

開關電源設計的一個關鍵要素是在功率開關管導通時，要找到一種方式将能量儲存起來，當開關管關斷時将儲存能量提供給負載而維持電流連續。除了負載電流需求極小的情況下，電感都是AC/DC轉換過程中必不可少的元件，用于維持電流的連續。

現在絕大多數電感可以從許多供應商那裡買到現成的，電源設計者仍需要有基本的磁性材料知識。電感中的能量存儲在磁場中，該磁場是由導體上線圈(與磁芯耦合在起)通過一定的電流産生的。磁場随着電流的增加而建立，然後使電流在磁場消失時繼續流動。

自感現象，顧名思義就是自身的電磁感應現象。它的詳細定義是：當回路中導體的電流發生變化時，它周圍的磁場就随着變化，即由此電流所産生的穿過回路本身所圍面積的磁通量也随着變化，因而在導體中就産生感應電動勢，這個電動勢總是阻礙導體中原來電流的變化，這種現象就叫做自感現象。由自感應所産生的電動勢稱為自感電動勢。

如圖所示，考慮一個閉合回路，設其中電流為I。

根據畢奧-薩伐爾定律（恒定電流元激發磁場的基本規律。提出者是畢奧、薩伐爾。），此電流在空間任一點産生的與磁感應強度B與I成正比，推理得磁通量φL也與回路中的電流I成正比，即φL∝I。

若回路中有N匝，且穿過每一匝線圈的磁通量φL基本相同，則這個N匝線圈中的自感磁鍊ΨL=NφL，且該自感磁鍊ΨL也與電流I成正比，即ΨL∝I。

為了表明各個線圈産生自感磁鍊的能力，将線圈的自感磁鍊與電流的比值叫做線圈（或回路）的自感系數（或自感量），簡稱自感，用符号“L”表示，L=ΨL/I=NφL/I。

自感系數L是一個比例系數，它在量值上等于線圈中的電流為一個單位時通過線圈的磁鍊。在國際單位中，自感系數的單位為亨利（H），1H=1Wb/A。和電感一樣，由于亨利的單位較大，實用中常采用豪亨（mH）或微亨（μH），它們的關系為1H=103mH=106μH。

自感理解起來其實也不難，在沒有互感作用的情況下，其實自感就是電感。類似于電阻和電容，自感就是表征線圈本身電磁性質的物理量，它僅由線圈的形狀、大小、匝數及周圍磁介質的分布所決定，在無其他鐵磁質的情況下，它與線圈中的電流無關，就好比導線的電阻與加在導體兩端的電壓、流過導體的電流無關一樣。

自感現象也必定伴随着感應電動勢的産生，這個感應電動勢就是自感電動勢，由法拉第電磁感應定律可知，線圈中的自感電動勢為e=-ΔΨ/Δt=-LΔI/Δt。

電源電路中的電感

電感元器件是開關電源輸出端中的LC濾波電路中的“L”在降壓轉換中，電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關頻率切換連接到輸入電壓或GND。

對于Buck電路來說，在上MOSFET導通的時候，電感會通過MOSFET連接到輸入電壓。在下MOSFET導通的時候，電感連接到GND。

由于使用Buck控制器，可以采用兩種方式實現電感接地：通過二極管接地或通過MOSFET接地。如果是前一種方式，轉化器稱為異步方式。後一種方式，轉換器就稱為同步方式。

在狀态1過程中，電感的一端連接到輸入電壓，另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉換器，輸入電壓必須比輸出電壓高，因此會在電感上形成正向壓降。

在狀态2過程中，原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地。對于一個降壓轉換器，輸出電壓必然為正端，因此會在電感上形成負向的壓降。

電感電壓計算公式:V=L(dI/dt)

因此，當電感上的電壓為正時（狀态1），電感上的電流就會增加；當電感上的電壓為負時（狀态2），電感上的電流就會減小。

當脈沖電壓施加給電感時，電壓電流特性如圖：

在Buck電路上實測的電感上的電壓和電感上的電流，如下圖所示：

通過上圖我們可以看到，流過電感的最大電流為DC電流加開關峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據上述的公式，我們可以計算出峰值電流：其中，ton是狀态1的時間，T是開關周期，DC為狀态1的占空比。

同步轉換電路

異步轉換電路

Rs為感應電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導通電阻，R=Rs Rm。

電感磁芯的飽和度

通過已經計算的電感峰值電流，我們會知道，随着通過電感的電流增加，它的電感量會衰減。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會衰減多少非常關鍵，重要：如果電感量衰減過大，轉換器就不會正常工作了。當通過電感的電流大到電感失效的程度，此時的電流稱為“飽和電流”。這也是電感的基本參數。

轉換電路中的功率電感會有一個飽和曲線非常關鍵，值得注意。要了解這個概念可以觀察實際測量的LvsDC電流的曲線：

當電流增加到一定程度後，電感量就會急劇下降，這就是飽和特性。如果電流再增加，電感就會失效了。

有了這個飽和的特性，我們就可以知道在所有的轉換器中為什麼都會規定在DC輸出電流下的電感值變化範圍（△L≤20%或30%），電感規格書上為什麼會有Isat這個參數了。由于紋波電流的變化不會嚴重影響電感量。在所有的應用中都希望紋波電流盡量的小，因為它會影響輸出電壓的紋波。這也就是為什麼大家總是很關心DC輸出電流下的電感量的衰減程度，而會在規格書中忽略紋波電流下的電感量的原因。

電感具體的設計過程，詳情點擊：

【開關電源系列】Buck電路選擇輸出電感

開關電源輸出電感的DCR溫度補償

另外電感還會用在輸入端，詳情點擊：

DCDC電源輸入電感的作用是什麼？

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