功率电感的挑选与Layout注意事项.pdf

下式是简单的电路学公式 : 当电流流经一电感时，会产生电压，由于该电压不为无限大，而电感也不为无限 大，因此di 也不为无限大，换言之，流经电感的电流不会瞬间剧烈变化，故相 较于电容可稳定电压，电感可用来稳定电流。因此我们在许多电子产品，随处可 见功率电感的应用[6]。 1 由上图可知，截止时，由于电感内的电流不能突变，所以该功率电感会将之前导 通时，电流流经时所储存的磁能，转成电流，供给整个电路运作，若没有功率电 感，则当导通结束后，其输出电流会瞬间降为零[1-3]。 而输出电流之最大与最小值差异，即所谓的涟波，理论上当然希望越小越好，即 输出电流越稳定，这样可以有较高的转换效率，以及较低的EMI 干扰。同时由 下式可知[4-5] : 电感值越大，则涟波越小。但是，若电感值过大，会使负载端的瞬时响应变慢， 则输出电流无法实时随着交换周期同步变化，因此需选取适当电感值，而非一味 加大[1-3]。 2 另外，电感的高频等效模型与频率响应如下[1-3]: 由于线圈间会有寄生电容，与其电感产生并联谐振，因此会有SRF，而SRF 与 EPC 有关，因此EPC 越小越好，即可确保电感性的频率范围越广。而SRF 需至 少为DC-DC Converter 切换频率的十倍，例如若切换频率为 1.2MHz，则SRF 至 少需 12MHZ。因此Layout 时，其功率电感下方要挖空，不要有金属，避免产 生额外的EPC，导致电感性的频率范围缩减[1-3]。 3 2 而由上图可知，电感会有其内阻DCR，则根据 P= I R，会消耗许多电流 ( 都转 换成热能 ) ，导致转换效率下降，因此DCR 越小越好[1-3]。而电感值过大，除 了会使负载端的瞬时响应变慢，也会因绕线圈数变多， 导致DCR 变大，因此需选取适当电感值。而有加 Shielding 的功率电感，DCR 较 小，且可以防止EMI，同时也可避免与邻近金属耦合[1-3]。 4 另外由上图的电阻公式可知，表面积小时，其电阻会变大，因此同样的电感值， Size 越小，其DCR 就越大，故相较于0603，0402 的电感，其DCR 会较大。 故我们由以上的分析可知，当电感值越大时，其优缺点如下表 : 因此我们可得知，电感值并非越大越好，也非越小越好，而是需根据各种取舍， 取一适当值。 5 另外，当流经电流过大时，则电感值会下降，而电感值下降30%之流经电流， 我们定义为饱和电流，此时亦可称该功率电感进入饱和状态[1-3]。 而进入饱和状态的功率电感，相当于一根导线，几乎没有稳定电流的作用，其涟 波会变非常大，因此饱和电流为判定功率电感线性度的指针，当然是越大越好， 一般至少需为流经电流之1.3 倍[1-3]。 6 再来是制程方面的比较，一般而言，同样的电感值，其Multi-layer 的转换效率， 会比Wire-wound 来的大，如下图[7] : 这是因为相较于Wire-wound ，Multi-layer 的DCR 会比较小，如下表[7] : 但同时我们由上表也可看出，相较于Wire-wound ，Multi-layer 的饱和电流也会 比较小。 7 以上是挑选功率电感时的注意事项，接着讨论Layout 方面的注意事项。 由[1-3]可知，其功率电感之后，多半会搭配一个稳压电容，整组兜成一个滤波 器，而功率电感与稳压电容，在摆放时，都必须要尽可能靠近DC-DC Converter， 才能使整体的回路面积缩到最小，进而降低EMI 干扰。下图是回路面积差异， 所导致的波形差异: 8 因此功率