您是否有過(guò)為降壓穩(wěn)壓器充電、進(jìn)行滿功率測(cè)試，隨后在進(jìn)行電感指端溫度測(cè)試時(shí)留下了永久（燙傷）印記的經(jīng)歷呢？或許過(guò)高的磁芯損耗和交流繞組損耗就是罪魁禍?zhǔn)住Ｔ?100-kHz 開(kāi)關(guān)頻率下，一般不會(huì)出現(xiàn)任何問(wèn)題，這是因?yàn)榇判緭p耗約占總電感損耗的 5% 到 10%。因此，相應(yīng)的溫升才是問(wèn)題所在。
一般而言，選擇電感時(shí)，只需計(jì)算出最大負(fù)載電流，通過(guò)容許 20% 紋波電流來(lái)建立電感。由于磁芯損耗微不足道，因此會(huì)出現(xiàn)類(lèi)似于產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中所示的溫升。然而，隨著開(kāi)關(guān)頻率上升至 500 kHz 以上，磁芯損耗和繞組交流損耗可以極大地減少電感中的容許直流電流。使用 20% 紋波電流來(lái)計(jì)算電感，可帶來(lái)相同的磁芯材料通量激增，其與頻率無(wú)關(guān)。磁芯損耗方程式的一般形式為：
Pcore = K × F1.3。
因此，如果頻率 (F) 從 100 kHz 升至 500 kHz，則磁芯損耗便為原來(lái)的 8 倍。圖 1 顯示了這種上升情況，還描述了隨磁芯損耗上升而下降的容許銅線損耗。100 KHz時(shí)，大多數(shù)損耗存在于銅線中，同時(shí)利用全直流額定電流是可能的。更高頻率時(shí)，磁芯損耗變大。由于總?cè)菰S損耗由磁芯損耗與銅線損耗之和決定，因此銅線損耗必須在磁芯損耗上升時(shí)降低。這種情況一直持續(xù)到各損耗均相等。最佳情況是，在高頻率下?lián)p耗穩(wěn)定保持相等，并允許從磁結(jié)構(gòu)獲得最大輸出電流。
1 0.5 MHz以上，磁芯損耗大大降低了有效傳導(dǎo)損耗。
圖 1 和圖 2 均基于固定磁芯體積和繞組面積，僅匝數(shù)可變。圖 2 顯示了圖 1 所示磁芯損耗的電感和容許直流電流。1.3 MHz以下時(shí)，電感與開(kāi)關(guān)頻率成反比關(guān)系。電感在1.3 MHz 附近達(dá)到最小值。該頻率以上，則必須升高電感來(lái)限制磁芯通量，從而將磁芯損耗控制在總損耗的 50%。該電感的額定電流也同時(shí)被計(jì)算出來(lái)。低頻率時(shí)，磁芯損耗并不大，額定電流由繞組的功率損耗決定。
下列方程式中，匝數(shù)與頻率平方根的倒數(shù)成正比，因此頻率升高 2 倍（電感降低一半）得到 0.707 匝數(shù)。
L = μ × A × N2/lm
這種情況會(huì)以?xún)煞N方式影響繞組電阻。匝數(shù)減少 30%，而每一匝的可用面積卻增加了41%。由于繞組電阻與匝數(shù)/匝面積相關(guān)，因此電阻隨頻率上升而線性下降，例如：在本例中電阻下降 2 倍。
較高頻率時(shí)，磁芯損耗開(kāi)始限制容許銅線損耗，直到達(dá)到它們相等的點(diǎn)為止。在這一點(diǎn)上，通過(guò)增加更多匝數(shù)以及升高繞組電阻，使電感上升來(lái)降低通量。這樣，電感額定電流減少。因此，從電感尺寸角度來(lái)說(shuō)獲得了最佳頻率。
圖2 磁芯損耗限制峰值功率
總之，增加開(kāi)關(guān)頻率會(huì)縮小磁芯尺寸的看法是正確的，但僅限于磁芯損耗和交流 繞組損耗等于銅線損耗的點(diǎn)上。過(guò)了這個(gè)點(diǎn)，磁芯尺寸實(shí)際上會(huì)增加。另外，設(shè)計(jì)人員需要注意的是，在有許多高開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)品可供選擇的今天，一些相應(yīng)的應(yīng)用手冊(cè)中并沒(méi)有清楚地注明過(guò)高磁芯損耗存在的一些潛在問(wèn)題。
作者簡(jiǎn)介
Robert Kollman 現(xiàn)任 TI 高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理兼科技委員會(huì)資深委員。他擁有超過(guò) 30 年的電源電子行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)，并為電源電子成功設(shè)計(jì)了磁芯，包括從 sub-watt 到 sub-Megawatt 的磁芯，其工作頻率兆赫茲范圍內(nèi)。Robert 畢業(yè)于得克薩斯 A&M 大學(xué)(Texas A&M University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (Southern Methodist University)，獲電子工程碩士學(xué)位。