作者：Katter
在設(shè)計(jì)DC-DC電路時(shí)，經(jīng)常會(huì)考慮它的效率，90%還是在80%的效率對(duì)于一個(gè)消費(fèi)電子設(shè)備的續(xù)航來說，存在非常大的區(qū)別。
有時(shí)候在看某芯片的規(guī)格書，器件標(biāo)稱的效率能達(dá)到92%。但是自己按照同樣的輸入、輸出電壓、負(fù)載電流來設(shè)計(jì)電路，然后測(cè)試效率，為什么測(cè)試的結(jié)果只有85%，87%，就是達(dá)不到90%以上呢？
實(shí)際上DC-DC的效率測(cè)試，不僅僅和芯片有關(guān)，與我們的測(cè)試方法，電感和電容的選擇，芯片的工作模式也有關(guān)系。
今天這篇文章我們來聊聊電感的5大損耗，關(guān)于測(cè)試方法，芯片工作模式，在后續(xù)的文章中會(huì)有分享。本篇文章的框架如下：
1. 趨膚效應(yīng)
在分析電感的損耗之前需要了解兩個(gè)高頻的效應(yīng)——趨膚效應(yīng)，鄰近效應(yīng)。
趨膚效應(yīng)：交變電流通過導(dǎo)線時(shí)，電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的，導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度，且交變電流的頻率越高，這種趨勢(shì)越明顯，該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effiect)，趨膚效應(yīng)也稱集膚效應(yīng)。
如果流向?qū)w的電流的頻率升高，電流就會(huì)只流過導(dǎo)體的表面，表面部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做趨膚效應(yīng)，也叫做表皮效應(yīng)。
產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的本質(zhì)原因是電流和磁場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系，用下面的圖來表示：
對(duì)一根流過電流為I的導(dǎo)線，在導(dǎo)線的垂直平面形成交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流電流，渦流在導(dǎo)體內(nèi)部與電流的變化趨勢(shì)相反，阻礙電流的變化，渦流的變化在導(dǎo)體表面與電流的變化趨勢(shì)相同。
在導(dǎo)體內(nèi)部，等效電阻變大，而導(dǎo)體表面等效電阻變小，因此電流更趨向于在導(dǎo)體表面流動(dòng)，但相比電流在整個(gè)截面積為S的導(dǎo)線上流動(dòng)，在表面流動(dòng)意味著導(dǎo)線的電阻增大了。
2. 鄰近效應(yīng)
鄰近效應(yīng)：多根導(dǎo)線鄰近時(shí)，每個(gè)繞組形成的磁場(chǎng)感應(yīng)渦流，高頻時(shí)會(huì)集中于導(dǎo)體內(nèi)的電流鄰近的導(dǎo)線相鄰接的狹小區(qū)域而流過，鄰近部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做鄰近效應(yīng)。
如下圖所示，兩個(gè)同方向的導(dǎo)線流通相同方向的電流，在兩個(gè)導(dǎo)線相鄰的位置電流的大小為電流I減去渦流，而在遠(yuǎn)離的一邊，電流為I加上渦流。
上面的兩相鄰導(dǎo)體電流同相流動(dòng)時(shí)電流的分布，如果兩個(gè)導(dǎo)體的電流是反向的流動(dòng)，導(dǎo)體的之間線纜的流動(dòng)如下所示：
當(dāng)回流導(dǎo)體靠近時(shí)，兩根導(dǎo)線的場(chǎng)向量將相加。在兩導(dǎo)體相鄰之間，磁場(chǎng)方向相同而加強(qiáng)；兩導(dǎo)線之外側(cè)，磁場(chǎng)相反而抵銷，磁場(chǎng)很弱，或?yàn)榱恪Ｔ趯?dǎo)體內(nèi)部，由兩導(dǎo)體外側(cè)向內(nèi)逐漸加強(qiáng)，到達(dá)導(dǎo)體的內(nèi)表面時(shí)磁場(chǎng)最強(qiáng)。
3. 鐵損 銅損
在電感中主要有4個(gè)損耗，銅損，鐵損，渦流損耗，磁滯損耗。
銅損：電流流向?qū)Ь�時(shí)的電阻成分引起的損耗稱為銅損。
對(duì)于一個(gè)電感來說，本身就只有兩部分，線圈和磁芯，其中線圈為銅損，磁芯為鐵損。磁束通過磁芯時(shí)磁芯內(nèi)產(chǎn)生的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)稱為鐵損。因此，鐵損都是有磁芯產(chǎn)生的。
4. 渦流損耗
渦流損耗：因電磁感應(yīng)而變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體的磁芯中產(chǎn)生渦狀的電流。產(chǎn)生此電流的能量會(huì)因磁芯材料的電阻而被轉(zhuǎn)換成熱并成為損耗。我們將這種損耗叫做渦流損耗。
5. 磁滯損耗
磁滯損耗：如果是磁芯內(nèi)的磁場(chǎng)變化或者反轉(zhuǎn)，就會(huì)伴隨磁滯（磁芯材料的BH圖中所示的磁滯回線）而返回原先的狀態(tài)。為了此磁滯的運(yùn)動(dòng)而消耗的能量會(huì)作為熱損耗掉。我們將這種損耗叫做磁滯損耗，磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比。
根據(jù)前面的分析，磁芯在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化，磁化的過程會(huì)使內(nèi)部的磁疇發(fā)現(xiàn)方向的偏轉(zhuǎn)，在偏轉(zhuǎn)的時(shí)候，與外磁場(chǎng)方向相差不大的磁疇發(fā)生了‘彈性’轉(zhuǎn)動(dòng)，這就是說當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí)，磁疇仍能恢復(fù)原來的方向；而還有一部分磁疇要克服磁疇壁之間存在摩擦，發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)，即當(dāng)外磁場(chǎng)去除時(shí)，磁疇仍保持磁化方向。
因此磁化時(shí)，送到磁場(chǎng)的能量包含兩部分：前者轉(zhuǎn)為勢(shì)能，即去掉外磁化電流時(shí)，磁場(chǎng)能量可以返回電路；而后者變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。根基磁滯曲線可知，當(dāng)磁滯曲線的面積越大時(shí)，需要克服摩擦摩擦發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)需要的能量越多。 |
