作者：Katter
在設計DC-DC電路時(shí)，經(jīng)常會(huì )考慮它的效率，90%還是在80%的效率對于一個(gè)消費電子設備的續航來(lái)說(shuō)，存在非常大的區別。
有時(shí)候在看某芯片的規格書(shū)，器件標稱(chēng)的效率能達到92%。但是自己按照同樣的輸入、輸出電壓、負載電流來(lái)設計電路，然后測試效率，為什么測試的結果只有85%，87%，就是達不到90%以上呢？
實(shí)際上DC-DC的效率測試，不僅僅和芯片有關(guān)，與我們的測試方法，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(lái)聊聊電感的5大損耗，關(guān)于測試方法，芯片工作模式，在后續的文章中會(huì )有分享。本篇文章的框架如下：
1. 趨膚效應
在分析電感的損耗之前需要了解兩個(gè)高頻的效應——趨膚效應，鄰近效應。
趨膚效應：交變電流通過(guò)導線(xiàn)時(shí)，電流在導線(xiàn)橫截面上的分布是不均勻的，導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，這種趨勢越明顯，該現象稱(chēng)為趨膚效應(skin effiect)，趨膚效應也稱(chēng)集膚效應。
如果流向導體的電流的頻率升高，電流就會(huì )只流過(guò)導體的表面，表面部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應叫做趨膚效應，也叫做表皮效應。
產(chǎn)生趨膚效應的本質(zhì)原因是電流和磁場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系，用下面的圖來(lái)表示：
對一根流過(guò)電流為I的導線(xiàn)，在導線(xiàn)的垂直平面形成交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在導體內部產(chǎn)生感應電動(dòng)勢，感應電動(dòng)勢在導體內部形成渦流電流，渦流在導體內部與電流的變化趨勢相反，阻礙電流的變化，渦流的變化在導體表面與電流的變化趨勢相同。
在導體內部，等效電阻變大，而導體表面等效電阻變小，因此電流更趨向于在導體表面流動(dòng)，但相比電流在整個(gè)截面積為S的導線(xiàn)上流動(dòng)，在表面流動(dòng)意味著(zhù)導線(xiàn)的電阻增大了。
2. 鄰近效應
鄰近效應：多根導線(xiàn)鄰近時(shí)，每個(gè)繞組形成的磁場(chǎng)感應渦流，高頻時(shí)會(huì )集中于導體內的電流鄰近的導線(xiàn)相鄰接的狹小區域而流過(guò)，鄰近部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應叫做鄰近效應。
如下圖所示，兩個(gè)同方向的導線(xiàn)流通相同方向的電流，在兩個(gè)導線(xiàn)相鄰的位置電流的大小為電流I減去渦流，而在遠離的一邊，電流為I加上渦流。
上面的兩相鄰導體電流同相流動(dòng)時(shí)電流的分布，如果兩個(gè)導體的電流是反向的流動(dòng)，導體的之間線(xiàn)纜的流動(dòng)如下所示：
當回流導體靠近時(shí)，兩根導線(xiàn)的場(chǎng)向量將相加。在兩導體相鄰之間，磁場(chǎng)方向相同而加強；兩導線(xiàn)之外側，磁場(chǎng)相反而抵銷(xiāo)，磁場(chǎng)很弱，或為零。在導體內部，由兩導體外側向內逐漸加強，到達導體的內表面時(shí)磁場(chǎng)最強。
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：電流流向導線(xiàn)時(shí)的電阻成分引起的損耗稱(chēng)為銅損。
對于一個(gè)電感來(lái)說(shuō)，本身就只有兩部分，線(xiàn)圈和磁芯，其中線(xiàn)圈為銅損，磁芯為鐵損。磁束通過(guò)磁芯時(shí)磁芯內產(chǎn)生的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)稱(chēng)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：因電磁感應而變化的磁場(chǎng)會(huì )在導體的磁芯中產(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：如果是磁芯內的磁場(chǎng)變化或者反轉，就會(huì )伴隨磁滯（磁芯材料的BH圖中所示的磁滯回線(xiàn)）而返回原先的狀態(tài)。為了此磁滯的運動(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(xiàn)的面積成正比。
根據前面的分析，磁芯在磁場(chǎng)中會(huì )被磁化，磁化的過(guò)程會(huì )使內部的磁疇發(fā)現方向的偏轉，在偏轉的時(shí)候，與外磁場(chǎng)方向相差不大的磁疇發(fā)生了‘彈性’轉動(dòng)，這就是說(shuō)當外磁場(chǎng)去掉時(shí)，磁疇仍能恢復原來(lái)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)生剛性轉動(dòng)，即當外磁場(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：前者轉為勢能，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(xiàn)可知，當磁滯曲線(xiàn)的面積越大時(shí)，需要克服摩擦摩擦發(fā)生剛性轉動(dòng)需要的能量越多。 |
