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電路設(shè)計(jì)必看參數(shù):電感的三個(gè)電流

2020/10/11
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閱讀需 7 分鐘
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電感電流應(yīng)該是電感最重要的參數(shù)了,電路設(shè)計(jì)必然會(huì)關(guān)注這個(gè)參數(shù)。然而,查看眾多的電感規(guī)格書手冊(cè),有時(shí)也會(huì)把人搞懵,特別是對(duì)新手而言、為什么呢?

這是因?yàn)楦骷覙?biāo)注電流方式個(gè)不相同,有的廠家就只有一個(gè)額定電流,有的廠家會(huì)標(biāo)兩個(gè),一個(gè)是飽和電流,一個(gè)是溫升電流。還有的更為詳細(xì),會(huì)標(biāo)電流的典型值和最大值,但是奇怪的是典型值居然比最大值還大,也是無語。

為了理解這些內(nèi)容,那我們就來看看飽和電流,溫升電流,額定電流分別指的是什么吧。

飽和電流 Isat

飽和電流 Isat 一般是指電感值相對(duì)于初始值衰減 30%(一些廠家是 10%,40%)的偏置電流。

飽和電流為什么會(huì)存在呢?

電感一般都含有磁芯,特別是功率電感,磁芯是存在磁飽和的。什么是磁飽和呢?由于磁芯材料自身的特性,其通過的磁通量是不可以無限增大的。通過一定體積導(dǎo)磁材料的磁通量大到一定數(shù)量將不再增加,不管你再增加電流或匝數(shù),就達(dá)到磁飽和了。當(dāng)電流已經(jīng)使磁芯飽和,再增加電流,也基本不會(huì)再使磁通量增加,或者說增加很少,等同于空心電感的增量,因?yàn)轱柡椭蟠判臼プ饔?,等同于空心電感。電流增大,而磁通量不增加,那么電感阻礙電流的作用就沒有了,也就是說電感器失去了作用,這時(shí)的磁芯完全飽和。

當(dāng)然我們并不會(huì)等到電感完全飽和。事實(shí)上,在電流比較小的時(shí)候,單位電流產(chǎn)生的磁通量與電流成正比,這個(gè)意思就說磁芯磁導(dǎo)率為常數(shù)。而隨著電流慢慢增大,單位電流的增加產(chǎn)生的磁通量的增量是下降的,也就是說隨著電流的增加磁導(dǎo)率是慢慢下降的,因此,電感的感量也下降。所以就有了前面的定義,電感量衰減到 30%(一些廠家是 10%,40%),我們就說電感飽和了。

還有個(gè)問題,飽和電流到底是有效值還是瞬間值呢?畢竟用于開關(guān)電源中,電感電流是直流上面疊加交流分量,并且交流分量還不小,這個(gè)必須得搞清楚。

飽和電流可以理解為瞬間值,因?yàn)殡姼械娘柡偷脑蚴且驗(yàn)榇判撅柡?,只要電流達(dá)到一定值,就會(huì)使磁芯磁飽和,而不論你是什么時(shí)候達(dá)到。所以在電路設(shè)計(jì)中,一定不要讓電感的最大電流值(瞬間值)超過其飽和電流。

溫升電流 Irms

溫升電流,一般指電感自我溫升溫度不超過 40℃時(shí)的電流。

曾經(jīng)有人問我,這個(gè)溫升電流對(duì)應(yīng)的溫度,指的是電感內(nèi)部的,還是指的外殼?這個(gè)問題我也沒找到答案,不過應(yīng)該不影響我們進(jìn)行電感選型。

如上圖,是順絡(luò)的某電感參數(shù),可以看到,電感的工作溫度范圍是 -40 到+125℃,后面括號(hào)說明了是包含自我溫升的,所以,當(dāng)電路工作環(huán)境溫度小于 125-40=85℃時(shí),只要我們電感電流不超過溫升電流(此時(shí)溫升為 40 度,加上環(huán)境溫度,正好 125 度),那么就沒有問題,當(dāng)然了,我們會(huì)留一些裕量。

估計(jì)又有人問了,那我環(huán)境溫度小于 85 度,那是不是就可以超過額定溫升電流 Irms 使用呢?

理論上超一點(diǎn)沒有問題,但是不建議,因?yàn)闀?huì)有新的問題,超多少不會(huì)出現(xiàn)問題呢?沒有一個(gè)定值。并且,因?yàn)槌^ Irms 之后,溫升隨電流增加上升很快的,如下圖示例所示:

這個(gè)曲線是順絡(luò)電感的電流與溫升的關(guān)系,可以看到,曲線類似是指數(shù)曲線,在溫升達(dá)到 40 度后,電流只要增加一點(diǎn)點(diǎn),溫度就升高很多。

所以,建議不管環(huán)境溫度比 85℃低多少,都不要使電感電流超過溫升電流 Irms,這樣就萬無一失了。

同樣也有一個(gè)問題,這個(gè)溫升電流是有效值還是瞬間值呢?

答案是有效值。溫升電流,說的是使溫度上升到一定值的電流大小,這不就是有效值的定義么,其符號(hào) rms 也說明了這一點(diǎn)。

額定電流 Irat

額定電流其實(shí)就是包含前面 2 個(gè)電流,飽和電流和溫升電流。

我們工作中溝通時(shí)為了方便,說額定電流是多少多少,其實(shí)就那兩個(gè)電流中的小者。有些規(guī)格書中只寫了一個(gè)電流,那么設(shè)計(jì)中就把這個(gè)電流當(dāng)作額定電流來設(shè)計(jì)。

來到開篇的問題,為什么最大值比典型值要???

這是因?yàn)椋湫椭抵傅氖?,電感生產(chǎn)出來后,這個(gè)電流上限參數(shù)平均是某個(gè)值,這個(gè)值就叫典型值。

而設(shè)計(jì)電路時(shí),我們需要所用的所有電感,都能滿足要求,所以不能是典型值。而標(biāo)注的 max 值,廠家是站在用戶的角度來說的,只要你設(shè)計(jì)不超過這個(gè)最大值,那么就 OK,所以其實(shí)是所有電感的電流值都比這個(gè) max 值要大,自然 max 值要比平均值 type 要小了。

總結(jié)

1、電感的額定電流,包含飽和電流和溫升電流。

2、在電路設(shè)計(jì)中,電感的最大電流瞬間值不能超過飽和電流,電流有效值也不能超過溫升電流。一般情況下,需要留 20%-30%左右的裕量。

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公眾號(hào)“硬件工程師煉成之路”作者,近10年硬件開發(fā)經(jīng)驗(yàn),致力于硬件分享交流,共同學(xué)習(xí)進(jìn)步。