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Application Note 系统开发中心 林柏言 AN053 C June

2017 AN053 ?

2017 Richtek Technology Corporation

1 电感之种类与其特性分析 Classification and Characterization of Various Inductors 摘要 电感器是开关转换器中非常重要的元器件,如用于储能及功率滤波器.

电感器的种类繁多,例如用于不同的应用(从 低频到高频),或因铁芯材料不同而影响电感器的特性等等.用于开关转换器的电感器属于高频的磁性组件,然而因 材料、工作条件(如电压与电流)、环境温度等种种因素,所呈现的特性和理论上差异很大.因此在电路设计时,除 了电感值这个基本参数外,仍须考虑电感器的阻抗与交流电阻和频率的关系、铁芯损失及饱和电流特性等等.本文将 介绍几种重要的电感铁芯材料及其特性,也引导电源工程师选择市售标准的电感器. 目录 一. 前言

2 二. 铁芯材料之种类.3 三. 电感器之电气特性及封装结构

6 四. 应用实例

11 五. 结论

13 六. 参考文献

14 电感之种类与其特性分析 AN053 ?

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2 一. 前言 电感器(inductor)是一种电磁感应组件,用绝缘的导线在绕线支架(bobbin)或铁芯(core)上绕制一定匝数的线圈 (coil)而成,此线圈称为电感线圈或电感器.根据电磁感应原理,当线圈与磁场有相对运动,或是线圈通过交流电流 产生交变磁场时,会产生感应电压来抵抗原磁场变化,而此抑制电流变化的特性就称为电感(inductance). 电感值的公式如式(1),其与磁导率、绕组匝数 N 的平方、及等效磁路截面积 Ae 成正比,而与等效磁路长度 le 成反 比.电感的种类很多,各适用于不同的应用之中;

电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材 料的种类等有关. (1) 电感依铁芯形状不同有环型 (toroidal) 、 E 型(E core) 及工字鼓型 (drum) ;

依铁芯材质而言, 主要有陶瓷芯 (ceramic core) 及两大软磁类, 分别是铁氧体 (ferrite) 及粉末铁芯 (metallic powder) 等. 依结构或封装方式不同有绕线式 (wire wound)、多层式(multi-layer)及冲压式(molded),而绕线式又有非遮蔽式(non-shielded)、加磁胶之半遮蔽式 (semi-shielded)及遮蔽式(shielded)等. 电感器在直流电流如同短路,对交流电流则呈现高阻抗,在电路中的基本用途有扼流、滤波、调谐、储能等.在开关 转换器的应用中,电感器是最重要的储能组件,且与输出电容形成低通滤波器,将输出电压涟波变小,因此也在滤波 功能上扮演重要角色. 本文将介绍电感器的各种铁芯材料及其特性,也将介绍一些电感器之电气特性等,以作为电路设计时,挑选电感器的 重要评价参考.在应用实例中,将透过实际范例介绍如何计算电感值,及如何挑选市售标准的电感器. 电感之种类与其特性分析 AN053 ?

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3 二. 铁芯材料之种类 用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件, 中心的铁芯材料最是影响电感器之特性, 如阻抗与频率、 电感值与频率、 或铁芯饱和特性等.以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较,以作为选择功率电感的重要参考: 1. 陶瓷芯 陶瓷芯是常见的电感材料之一,主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构,又被称为「空芯电感」 (air core inductor).因所使用的铁芯为非导磁材料,具有非常低的温度系数,在操作温度范围中电感值非常稳定.然而 由于以非导磁材料为介质,电感量非常低,并不是很适合电源转换器的应用. 2. 铁氧体 一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌 (NiZn) 或锰锌 (MnZn) 之铁氧体化合物, 属于矫顽磁力 (coercivity) 低的软磁类铁磁材料.图1为一般磁铁芯之磁滞曲线(B-H loop),磁性材料的矫顽磁力 HC 亦称为保磁力,系 指当磁性材料已磁化到磁饱和后,使其磁化强度(magnetization)减为零时所需的磁场强度.矫顽力较低代表 抵抗退磁能力较低,也意味着磁滞损失较小. 锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率 (relative permeability;