功率电感器的分类与特点介绍

功率电感是一个笼统的名词，包括贴片功率电感和插件功率电感。功率电感一般是指电气工程中用的，能承受大功率的电感器，如大型电机(AC)降压起动用的电感器(也叫电抗器)。功率电感是贴片电感(Chipinductors)的简称，又称为大电流电感和表面贴装高功率电感。具有小型化，高品质，高能量储存和低电阻等特性。一般电子线路中的电感是空心线圈，或带有磁芯的线圈，只能通过较小的电流，承受较低的电压;而功率电感也有空心线圈的，也有带磁芯的，主要特点是用粗导线绕制，可承受数十安，数百，数千，甚至于数万安。

1.什么是功率电感器

线圈是呈螺旋状的电极的总称。其中，用于电气用途线圈被称为电感器，并且可以分为两类，一类是用于信号系统的RF电感器，另一类是用于电源系统的功率电感器。本文中说明的功率电感器，是在DC-DC转换器等的电压转换电路中，构成其一部分的元件。

下面说明功率电感器在DC-DC转换器中的作用。功率电感器被用于转换为所需电压的升压、降压，或者被用于升降压电路。其中，主要在开关调节器式电路中使用。图1为开关调节器式降压电路。利用IC、功率电感器、电容器，将直流输入电压转换为所需的输出电压。功率电感器承担的作用是与电容器配合，将从IC输出的矩形波输出转换为直流只要缺少其中的任何一个，就无法正确整流。

图1降压型开关调节器

2.功率电感器的基本特性

在选定功率电感器时，应当查看哪些参数呢?各制造商的功率电感器产品目录上，主要记载了下列技术规格。例如，电感高的好还是低的好、需要多大的额定电流之类，因为必须根据DC-DC转换器的工作条件适当地选择。下面详细介绍功率电感器技术规格的看法。

2.1电感

电感值是影响纹波电流和负载响应特性的一个非常重要的参数。DC-DC转换器使用的功率电感器中通过图2所示的三角波电流。一般来说，可将纹波电流⊿IL设置为负载电流Iout的30%左右。因此，只要知道DC-DC转换器的条件，就能根据以下算式计算适当的功率电感器电感。

图2功率电感器中通过的电流波形

但是，在DC-DC转换器上几乎都记载了功率电感器的适当电感值作为参考值。因此，即使不进行上述算式之类的计算，也能按照制造商的参考值选定。

2.2额定电流

额定电流规定了电流值的上限，通过的直流电流超过该值时，无法保障质量。功率电感器的额定电流有两种，一种规定了直流叠加额定电流(Saturation)，另一种规定了温升额定电流(Temperature)。各自具有重要含义，往往分别记载技术规格。

(1)直流叠加额定电流Isat

电感器的特性之一是直流叠加特性。为了获取高电感，电感器的芯部(磁心)采用铁氧体等磁性体材料。电流通过电感器时，会产生磁性体的磁饱和现象，电感会下降。将这种特性称为直流叠加特性。直流叠加额定电流规定了电感相对于未叠加电流的初始特性下降一定比例时的电流值。

(2)温升额定电流Itemp

这是以元件的发热为指标的额定电流规定，超过该范围使用，会导致元件损坏或组件故障。一般来说是按温度上升⊿40℃的电流值规定的。

作为功率电感器使用时，应该如何决定这些额定电流。如图3所示，电感器中最大通过Iout+⊿IL/2的电流。如果电流值在Isat以上，电感的下降就会增大，如图4的红线所示，三角波电流的形状异常，纹波电流增加。由于纹波电流成为改变输出电压的因素，如果纹波电流增加，就会引起负载端系统动作异常。因此，必须选定Isat在最大电流以上的产品。

至于温升额定电流，即使超过额定值，电感器也不会马上损坏。因此，应以Itemp值在Iout以上为标准选定。

图3直流叠加特性引起的纹波电流变动

2.3直流阻抗Rdc

表示通过直流电时的阻抗值。由于该阻抗值，因发热而产生电力损耗，所以直流阻抗越小损耗越少。但是，减小Rdc与直流叠加特性、尺寸小型化等存在折衷关系。只要从上述的满足电感、额定电流等必要特性的电感器当中，选定Rdc更小的产品即可。

2.4工作范围温度

这是规定使用电感器时的环境温度容许范围的参数。温度的影响因电路的工作环境而异，因此要设想实际使用环境后选定。下面看一下实际的DC-DC转换器的功率电感器选定示例。以图5所示的降压DC-DC转换器为例。这里假设在下列条件下的情况。

图4降压DC-DC转换器

根据以下算式，适当电感的大小约为1.0μH。

公式2

同时，Iout=1.5A，⊿IL约为Iout的30%，即0.45A，因此最大电流为如下所示：

Iout+⊿IL/2=1.725A

如此一来，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的电感器。

3.功率电感器的类型

3.1金属合金绕线型

金属合金绕线型是采用绕线和涂布了树脂的金属磁性粉热压而成电感器。从大型产品到小型产品，可以适用于大电流领域。金属磁性材料与后述的铁氧体材相比，虽然透磁率较低，但却具有出色的直流叠加特性，属于适合大电流的材料。近年来，DC-DC转换器的开关速度不断提高，低电感需求日益增加，金属合金绕线型在大部分市场逐渐成为主要商品。此外，金属磁性材料还有一大特点，就是温度特性优于铁氧体材料。导磁率受环境温度的影响很小，因此在高温时也能保持稳定的直流叠加特性。目标市场涵盖广泛领域，包括汽车、智能手机、HDD等等。

图5金属合金绕线型的结构与外观

金属合金绕线型技术包括金属磁性材料及其加工技术、采用了铜丝的绕线技术(图6)。村田确立了自己的材料技术，可以实现独特的绕线结构、高导磁率及高绝缘性。依靠这些技术的融合，可以提高电感的获取效率、降低直流阻抗，实现支持大电流的产品线。

图6金属合金绕线型的截面图

3.2铁氧体绕线型

铁氧体绕线型电感器是将铜丝在铁氧体芯部盘绕成螺旋状。村田的大多数铁氧体绕线型，都在铁氧体芯部盘绕的铜丝上涂布了磁性树脂。树脂涂层的目的是减少漏磁通，提高电感的获取效率和强度。因为铁氧体的导磁率很高，在高电感领域使用时，选择铁氧体绕线型有利。目标市场涵盖广泛领域，包括智能手机、TV、HDD等等。

图7铁氧体绕线型结构与外观

铁氧体绕线型技术、包括铁氧体材料和磁性树脂材料技术、铁氧体芯形成技术以及从细线到粗线对应的绕组技术(图8)。将这些技术相结合,实现了尺寸种类繁多和广泛的电感产品。

图8铁氧体绕线型的截面图

3.3铁氧体多层型

铁氧体多层型电感器是将磁性材料与内部电极交互叠加烧结而成的。与绕线结构相比，可以实现小型化、薄型化。对于小型低电感需求，使用金属合金绕线型的情况日益增加，小型大L、高耐压领域越来越需要铁氧体多层型的特性。

图9铁氧体多层型的结构与外观

铁氧体多层型技术，包括铁氧体材料技术、高纵横比的内部电极形成技术、电路设计技术、叠层技术(图10)。用无法靠传统的叠片实现的内部电极高纵横比技术，可以进一步降低阻抗。同时，依靠高自由度的磁路间隙形成技术，抑制磁饱和，实现了优异的直流叠加特性。依靠这些技术，实现了支持需要小型化和薄型化领域的产品线。

图10铁氧体多层型的截面图

4.功率电感器的常见问题

4.1功率电感器有什么作用?

功率电感器用于升压、降压或升压/降压电路中，将一定电压转换为所需电压。在这些不同的电路中，它主要用于一种称为“开关稳压器”的电路。

4.2功率电感器有极性吗?

与电容器或二极管不同，电感器没有功能极性，并且它们在任一方向上的作用相同。因此，极性在绝大多数用途电路中并不重要。

4.3功率电感器是如何工作的?

电感器是一种无源电子元件，能够以磁能的形式储存电能。它是用一个导体绕成一个线圈，当电流从左向右流入线圈时，就会产生顺时针方向的磁场。

4.4功率电感器耗电吗?

纯电感器不会消耗或耗散任何实际或真实功率，但由于同时具有电压和电流，因此在表达式中使用cos(θ)：对于纯电感器，P=V*I*cos(θ)不再有效。

结语

以上就是功率电感器分类和特点的介绍了，各种功率电感器根据电源、大功率、表面贴装电源(SMD)和大电流等技术特性用于特定应用。在需要转换电压同时存储能量和过滤EMI电流的应用中，有必要使用SMD功率电感器。功率电感器三种主要用途是过滤交流输入中的EMI噪声、过滤低频纹波电流噪声以及在DC-DC转换器中存储能量，过滤基于特定类型功率电感器的属性。由于可用的功率电感器范围很广，因此根据磁芯饱和并超过应用的峰值电感器电流的电流进行选择非常重要。尺寸、几何形状、温度容量和绕组特性在选择中也起着关键作用。

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