功率电感器基础讲座——第3章：什么是DC-DC转换器的重要特性
在第2章中，已对dc-dc转换器的分类和工作原理进行了说明。然而，仅靠这些说明并不能明确解释功率电感器的必要特性。为了明确dc-dc转换器的重要特性与功率电感器的必要特性的关联，需要对dc-dc转换器所需的重要特性进行探讨。
3.1dc-dc转换器的重要特性
dc-dc转换器需具备多种特性，而由于功率电感器的性能会对其产生较大的影响，因此尤其需要具备以下3个重要特性。
即①效率、②纹波电压、③负载响应。
接下来，将对这些特性的具体内容及其与功率电感器的关系进行说明。
图3-1 dc-dc转换器的重要特性
02效率
首先就功率进行说明。在理想的无损耗dc-dc转换器中，输入功率与输出功率相等。此时效率为100%。然而，在实际的dc-dc转换器中，仅pdc-dc的部分会消耗功率，因此输出功率小于输入功率。效率可用以下公式表示。pdc-dc越小，效率就越高。
此外，本章中所述的“效率”不仅限于功率电感器的效率，而是指dc-dc转换器整体的效率。
图3-2-1 dc-dc转换器的功耗
图3-2-2为效率测量结果的示例。流过负载的电流（iout）会因应用领域而发生各种变化，因此多置于x轴。
图3-2-2 dc-dc转换器的效率示例
在dc-dc转换器中消耗的功率pdc-dc大致可分为以下三种：pic、ppi、pother。pic为ic产生的损耗，包括开关损耗和由on电阻导致的损耗等。ppii为电感器产生的损耗。pother为电容器的esr导致的损耗等其他损耗。
因工作条件和ic性能而异，ppi有时可占整体功耗pdc-dc的大约50%。因此，其对于功率电感器的效率影响较大，需具备低损耗的特性。
图3-2-3 电源负载电阻功耗的具体内容
如以下公式所示，电感器损耗ppi可由dc损耗和ac损耗两个部分表示。dc损耗表示因直流电流而产生的损耗，而ac损耗则表示因交流电流而产生的损耗。dc损耗表示因直流电流而产生的线圈导体的损耗，因此与rdc（直流电阻）成正比。另一方面，ac损耗则与rac（交流电阻）成正比，除因交流电流而产生的线圈导体的损耗外，还包括被称为铁耗的芯材损耗。此外，频率变高时，导体损耗还会因为趋肤效应呈增加趋势。此处提到的rac以下述公式表示。racspan style=font-size: 13px;>1表示因趋肤效应而增加的导体电阻成分，rac2则表示因芯材而产生的电阻成分。
图3-2-4 电感器损耗的具体内容
图3-2-5为相对于负载电流的ac损耗和dc损耗的示意图。流过电感器的电流的ac成分取决于输入、输出电压和频率。因此，即使负载电流发生变化，ac损耗量也不会出现较大的变化。另一方面，dc损耗的产生则与负载电流的平方成正比。低负载时电流较小，因此dc损耗也较小，而负载电流增加时，dc损耗也将大幅增加。因此，在低负载范围内ac损耗将起决定性作用，而在高负载范围内，dc损耗则起决定性作用。
图3-2-5 低负载、高负载下的决定性损耗
接下来，将通过仿真实验验证功率电感器的电感、rdc、rac发生变化时将对效率产生怎样的影响。设定仿真实验的条件时，将移动设备中使用的降压转换器作为假设。
图3-2-6 通过仿真实验进行的效率评估
图3-2-7为将rdc从0.01变到2.0ω的过程中效率的变化结果。低负载时idc较小，因此即使rdc发生变化，效率也基本保持不变。然而，由于高负载时idc较大，因此rdc的变化将对效率产生较大的影响。
图3-2-7 rdc对效率的影响
接下来，将显示将rac从0.1变到10ω的过程中效率的变化结果。由于rac会影响ac损耗量，因此在ac损耗起决定性作用的低负载情况下，rac将对效率产生较大的影响。但在高负载情况下，随着idc的增加，dc损耗将起决定性作用，因此即使rac发生变化，效率也基本保持不变。
图3-2-8 rac对效率的影响
最后显示将电感从0.22μh变到2μh的过程中效率的变化结果。同rac一样，电感也会对ac损耗量产生影响。因此，电感虽然会在低负载时对效率产生较大的影响，但在高负载时却基本不会产生影响。
图3-2-9 电感对效率的影响
电感之所以会影响效率，是因为流过电感器的电流的ac成分取决于电感。三角波电流的斜率与电感的倒数成正比。因此，电感越大，电流振幅就越小，ac损耗也随之减少。
图3-2-10 电感影响效率的理由
综上所述，为了抑制电感器损耗，电感器需具备低负载时低rac、高电感，高负载时低rdc的重要特性。
图3-2-11 电感器需具备高效率的特性
3.3纹波电压
第二个重要特性是纹波电压。纹波电压是指输出电压中含有的微量的电压变动成分。这些电压变动与开关频率同步发生。理想情况下的纹波电压为零。这是因为，如果纹波电压变动较大并低于负载端的系统最低工作电压，将会导致系统运作出现异常。近年，dc-dc转换器的低电压、大电流化正呈发展趋势，因此有必要为其提供更加稳定的电压。
图3-3-1 什么是纹波电压
和验证效率时一样，下面将就电感的变化对纹波电压产生的影响进行调查。
图3-3-2 通过仿真实验进行的纹波电压评估
通过图3-3-3，可知电感越高，纹波电压的抑制效果就越好。如第2章中所述，电感越高，流过电感器的纹波电流就越能得到抑制，因此输出的纹波电压也会随之减少。须注意的是，电感会因直流叠加特性而下降。使用直流叠加特性较差的元件会导致电感下降、纹波电压增加。因此，很显然在进行选择时要确保isat大于负载电流。
图3-3-3 纹波电压和电感
3.4负载响应
最后一个重要特性是负载响应。dc-dc转换器提供一定的输出电压，但此时流过负载的电流会根据应用领域随时发生变化。电流急剧变化时，输出电压会一时间上升或下降。这一电压变动与电感成正比产生，因此功率电感器的性能将产生较大的影响。该电压变动和恢复设定电压所需的时间被称为负载响应特性，电压变动量较小、可短时间内恢复设定电压的特性通常被认为是良好的负载响应特性。和之前所述的纹波电压一样，该性能对于重视提供稳定电压的dc-dc转换器来说是极为重要的。
图3-4-1 什么是负载响应
下面将使用dc-dc转换器的评估板，分别对各电感的负载响应特性进行评估。
图3-4-2 通过评估板进行的负载响应特性评估
通过测量结果，可知负载电流增减时输出电压会发生变动。并且，由于负载响应特性会因功率电感器的电感而产生，因此电感较低时输出电压的变动将变小，从而可获得较好的负载响应特性。
图3-4-3 负载响应和电感
3.5与功率电感器的关系
在3.1～3.4中，已针对dc-dc转换器的重要特性——“效率”、“纹波电压”、“负载响应”阐明了功率电感器需要具备的特性。然而，使用高电感的元件虽然可以改善效率和纹波电压，但负载响应也将随之下降。并且，电感增大时，还存在rdc和rac也随之增加的问题。如上所述，功率电感器的各种特性条件不可同时满足，因此需要配合个别的工作条件和需求，在选择功率电感器时进行权衡。
村田已在网站中公开了“dc-dc转换器设计支持工具”，可帮助您选择功率电感器。通过使用该工具，可在进行选择时将本章中说明的dc-dc转换器的重要特性纳入考量。在第4章中，将针对该工具及选择功率电感器的案例进行介绍。
图3-5 功率电感器的必要特性总结
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3.1dc-dc转换器的重要特性
dc-dc转换器需具备多种特性，而由于功率电感器的性能会对其产生较大的影响，因此尤其需要具备以下3个重要特性。
即①效率、②纹波电压、③负载响应。
接下来，将对这些特性的具体内容及其与功率电感器的关系进行说明。
图3-1 dc-dc转换器的重要特性
02效率
首先就功率进行说明。在理想的无损耗dc-dc转换器中，输入功率与输出功率相等。此时效率为100%。然而，在实际的dc-dc转换器中，仅pdc-dc的部分会消耗功率，因此输出功率小于输入功率。效率可用以下公式表示。pdc-dc越小，效率就越高。
此外，本章中所述的“效率”不仅限于功率电感器的效率，而是指dc-dc转换器整体的效率。
图3-2-1 dc-dc转换器的功耗
图3-2-2为效率测量结果的示例。流过负载的电流（iout）会因应用领域而发生各种变化，因此多置于x轴。
图3-2-2 dc-dc转换器的效率示例
在dc-dc转换器中消耗的功率pdc-dc大致可分为以下三种：pic、ppi、pother。pic为ic产生的损耗，包括开关损耗和由on电阻导致的损耗等。ppii为电感器产生的损耗。pother为电容器的esr导致的损耗等其他损耗。
因工作条件和ic性能而异，ppi有时可占整体功耗pdc-dc的大约50%。因此，其对于功率电感器的效率影响较大，需具备低损耗的特性。
图3-2-3 电源负载电阻功耗的具体内容
如以下公式所示，电感器损耗ppi可由dc损耗和ac损耗两个部分表示。dc损耗表示因直流电流而产生的损耗，而ac损耗则表示因交流电流而产生的损耗。dc损耗表示因直流电流而产生的线圈导体的损耗，因此与rdc（直流电阻）成正比。另一方面，ac损耗则与rac（交流电阻）成正比，除因交流电流而产生的线圈导体的损耗外，还包括被称为铁耗的芯材损耗。此外，频率变高时，导体损耗还会因为趋肤效应呈增加趋势。此处提到的rac以下述公式表示。racspan style=font-size: 13px;>1表示因趋肤效应而增加的导体电阻成分，rac2则表示因芯材而产生的电阻成分。
图3-2-4 电感器损耗的具体内容
图3-2-5为相对于负载电流的ac损耗和dc损耗的示意图。流过电感器的电流的ac成分取决于输入、输出电压和频率。因此，即使负载电流发生变化，ac损耗量也不会出现较大的变化。另一方面，dc损耗的产生则与负载电流的平方成正比。低负载时电流较小，因此dc损耗也较小，而负载电流增加时，dc损耗也将大幅增加。因此，在低负载范围内ac损耗将起决定性作用，而在高负载范围内，dc损耗则起决定性作用。
图3-2-5 低负载、高负载下的决定性损耗
接下来，将通过仿真实验验证功率电感器的电感、rdc、rac发生变化时将对效率产生怎样的影响。设定仿真实验的条件时，将移动设备中使用的降压转换器作为假设。
图3-2-6 通过仿真实验进行的效率评估
图3-2-7为将rdc从0.01变到2.0ω的过程中效率的变化结果。低负载时idc较小，因此即使rdc发生变化，效率也基本保持不变。然而，由于高负载时idc较大，因此rdc的变化将对效率产生较大的影响。
图3-2-7 rdc对效率的影响
接下来，将显示将rac从0.1变到10ω的过程中效率的变化结果。由于rac会影响ac损耗量，因此在ac损耗起决定性作用的低负载情况下，rac将对效率产生较大的影响。但在高负载情况下，随着idc的增加，dc损耗将起决定性作用，因此即使rac发生变化，效率也基本保持不变。
图3-2-8 rac对效率的影响
最后显示将电感从0.22μh变到2μh的过程中效率的变化结果。同rac一样，电感也会对ac损耗量产生影响。因此，电感虽然会在低负载时对效率产生较大的影响，但在高负载时却基本不会产生影响。
图3-2-9 电感对效率的影响
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3.3纹波电压
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图3-3-1 什么是纹波电压
和验证效率时一样，下面将就电感的变化对纹波电压产生的影响进行调查。
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通过图3-3-3，可知电感越高，纹波电压的抑制效果就越好。如第2章中所述，电感越高，流过电感器的纹波电流就越能得到抑制，因此输出的纹波电压也会随之减少。须注意的是，电感会因直流叠加特性而下降。使用直流叠加特性较差的元件会导致电感下降、纹波电压增加。因此，很显然在进行选择时要确保isat大于负载电流。
图3-3-3 纹波电压和电感
3.4负载响应
最后一个重要特性是负载响应。dc-dc转换器提供一定的输出电压，但此时流过负载的电流会根据应用领域随时发生变化。电流急剧变化时，输出电压会一时间上升或下降。这一电压变动与电感成正比产生，因此功率电感器的性能将产生较大的影响。该电压变动和恢复设定电压所需的时间被称为负载响应特性，电压变动量较小、可短时间内恢复设定电压的特性通常被认为是良好的负载响应特性。和之前所述的纹波电压一样，该性能对于重视提供稳定电压的dc-dc转换器来说是极为重要的。
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图3-4-3 负载响应和电感
3.5与功率电感器的关系
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