波形审计：你的电感饱和了吗？

电感器是开关模式电源 (SMPS) 中的关键组件。开关电源电感器是开关电源设备的重要元器件，它是利用电磁感应的原理进行工作的。它的作用是阻交流通直流,阻高频通低频(滤波)，也就是说高频信号通过电感线圈时会遇到很大的阻力，很难通过，而对低频信号通过它时所呈现的阻力则比较小，即低频信号可以较容易的通过它。电感线圈对直流电的电阻几乎为零。

电感选择是电源设计中的一个重要设计步骤，但通常会带来挑战。众多设计指南和技巧通常可以缓解这些挑战，例如 DC/DC 转换器数据表的应用部分中给出的那些。此类工具可帮助设计人员更快地为其应用选择正确的组件。

在典型的降压拓扑结构电路中，当开关(Q1)闭合时，电流开始通过这个开关流向输出端，并以某一速率稳步增大，增加速率取决于电路电感。根据楞次定律，di=E*dt/L，流过电感器的电流所发生的变化量等于电压乘以时间变化量，再除以这个电感值。由于流过负载电阻RL的电流稳定增加，输出电压成正比增大。

为我们的电源选择电感器包括考虑许多参数，例如直流电阻 (DCR)、额定电流和饱和电流。在这些参数中，饱和电流是最有趣的参数之一。饱和电流通常在电感器数据表中定义为直流电流，它会使电感在没有电流的情况下从其标称值下降 x%。这实质上意味着当电感中的直流电流达到饱和电流值时，电感值已经下降了一定的百分比（一般为30%）。这意味着饱和入口点是任意的，并且可能因制造商而异。此外，根据其磁芯材料，电感器在达到饱和时会做出不同的反应。有两种类型的饱和行为：

· 硬饱和：一旦达到饱和点，电感就会急剧下降（见图 1）。对于在实芯上绕线的电感器就是这种情况。

· 软饱和：电感逐渐减小。这是在磁粉芯上绕线的功率电感器的情况。

在检查电感饱和时，电感与电流曲线比饱和电流值更可取。

图1 ：电感磁芯饱和：硬饱和（黑色）/软饱和（红色）

既然我们知道什么是饱和电流以及它与有效电感值的关系，那么我们如何判断电感是否饱和？

确定这一点的一种快速方法是测量流入电感器的电流。事实上，当电感进入饱和状态时，电感下降，这意味着电感电流斜率变得更陡峭。见公式 1：

                (1)

图 2 显示了没有饱和的升压转换器的电感电流波形。在图 3 中，具有较低饱和入口点的电感器取代了之前的电感器。我们可以看到，对于相同的直流电流，电感器已饱和：电流急剧上升，接近峰值。

图2 ：电感电流

图3 ：电感电流 - 达到饱和

除了流入电感器的直流电流外，环境温度也会影响饱和入口点。电感器制造商在数据表中指定了典型温度下的饱和电流，不考虑这一点可能会导致在我们的应用中使用错误的电感器。如图 4 所示，电感与电流的关系曲线随温度而变化。因此，饱和电流也会随温度而变化，并且会随着温度的升高而降低。 

图4 ：温度对饱和电流的影响

饱和电流的重要性在于 DC/DC 转换器的电感器饱和会导致破坏性后果。当电感器进入饱和状态时，它可以存储更少的能量并且纹波电流增加——这意味着效率会降低。此时，电感器的行为更像是电阻器而不是电感器。除此之外，由于饱和时电感值下降，开关节点上会出现高电流峰值。这会损坏电感器本身或其他组件并产生噪声。电感降低也可能导致稳定性问题。

在选择电感器时（在定义参数值之后），我建议利用电感器供应商网站上提供的工具，这些工具使我们能够在饱和电流、环境温度和总损耗等参数的背景下比较电感器。然后，在实验室快速检查实际工作条件下的电感电流，肯定会帮助我们确定所选电感是否饱和。