如何避免電源設計中的電感飽和

電感是DC / DC電源中的重要組成部分。選擇電感需要考慮很多因素，例如電感值、DCR、尺寸和飽和電流。電感的飽和特性常會被人們誤解而帶來麻煩。本文將探討電感如何達到飽和、飽和如何影響電路，以及檢測電感飽和的方法。

請參見圖1和下面的電感飽和步驟，來了解電感是如何達到飽和的：

• 當電流通過圖1中的線圈時，線圈會產生磁場；

• 磁芯被磁場磁化，其內部磁疇會緩慢旋轉。

• 當磁芯被完全磁化后，磁疇的方向與磁場一致。這時，即使添加外部磁場，磁芯內也沒有旋轉的磁疇。此時，電感達到飽和。

圖1：電感飽和示意圖

圖2從另一個角度表達了電感的飽和，并通過方程式顯示了系統的磁通密度（B）和磁場強度（H）如何影響電感。

當磁通密度達到BM時，磁通密度不再隨磁場強度的增強而增加，此時電感達到飽和。

再看電感和磁導率（μ）之間的關系。當電感飽和后，磁導率將大幅減小，從而導致電感大幅降低，并失去抑制電流的能力。

圖2：磁化曲線和公式

在實際應用中判斷電感飽和的方法分為兩大類：理論計算和實驗測試。圖3總結了這些方法。

圖3：判斷電感飽和的方法

理論計算需要計算最大磁通密度或最大電感電流，而實驗測試則主要集中在觀察電感電流波形和其他的初步判斷方法上。具體請看下面的詳細描述。

這種方法適用于采用磁芯來設計電感的場景。磁芯參數包括磁路長度（lE）和有效面積（AE）。磁芯類型還決定了相應的磁材等級。磁性材料也必須對磁芯損耗和飽和磁通密度進行相應的規定（參見圖4）。

圖4：電感參數和特性

有了這些資料，我們就可以根據實際設計方案計算出最大磁通密度。圖5顯示了最大磁通密度的計算公式。

圖5: 磁通密度計算公式

實際中的計算可以簡化，用μI代替μR。當與磁性材料的飽和磁通密度進行比較時，就可以判斷設計的電感是否存在飽和風險。

當采用現有電感來設計電路時，可以采用這種方法。不同電路拓撲下，電感電流的計算公式也不同。

以開關模式變換器MP2145為例，可以根據以下公式計算電感電流，并將計算結果與電感規格進行比較，以判斷電感是否會達到飽和（見圖6）。

圖6：以 MP2145為例計算最大電感電流

此方法是工程師可用的最常見且最實用的方法。

我們采用MPSmart仿真工具，以MP2145為例來說明。從仿真波形中可以看到，當電感不飽和時，電感電流是具有一定斜率的三角波。當電感飽和時，電感電流波形會產生明顯失真，這種失真是由飽和后電感降低引起的（請參見圖7）。

圖7：MP2145的仿真電感電流波形

我們可以觀察電感電流波形中的失真來確定電感何時達到飽和。

圖8顯示了MP2145評估板上測得的波形。可以看出，當電感飽和后有明顯失真，這與仿真結果相符。

圖8：MP2145評估板的實際電感電流波形

如果不知道系統的核心模型，則可能很難確定電感的飽和電流。有時候，測量電感電流也不是很方便，因為可能需要將電感從PCB上部分抬起以測量其電流。所以，我們可以采用另一個技巧，即使用熱像儀測量電感溫度。如果溫度明顯超出設計預期，則可能表明電感已飽和（見圖9）。另外，將耳朵靠近電感，如果它發出聲音，則也可能表明它已經飽和。

圖9：使用熱像儀測量電感溫度

在設計帶電感的電源時，避免電感飽和非常重要。本文介紹了導致磁飽和的一些物理特性，給出了為電路選擇合適電感值的公式和電感飽和時的電流波形圖，同時還提供了觀察應用中電感是否飽和的其他一些技巧。如果您正在為設計項目選擇電感，請參見我們最新的電感產品目錄。