傳統的線性穩壓器有一個主要缺點：傳輸晶體管上的電壓降乘以負載電流等于浪費的功率。首選選項通常是開關模式 DC/DC 轉換器，其中功率晶體管以占空比連續切換，通過一些額外的濾波，提供所需的輸出電壓。

在這種配置中，晶體管要么開啟，不涉及電壓降，要么關閉，沒有電流通過。這意味著當在狀態之間切換時，功耗往往會降至零，從而產生高達 95% 的效率，而線性轉換器通常提供約 50% 的效率。開關轉換器的另一個主要優勢在于其拓撲結構意味著它們可以在降壓(所謂的“降壓”)、升壓(“升壓”)或反相(“降壓-升壓”)模式下運行。

對開關模式轉換器原理的基本了解有助于選擇所需的電感器。本文將只關注一些基本配置，主要是在“連續模式”下運行的非常流行的固定頻率降壓轉換器。

圖 1：一個簡單的開關 DC/DC 轉換器。

一個基本的降壓轉換器僅由一個開關、電感器、電容器和二極管組成(圖 1)。假設一個理想的開關和二極管，V sw = 0 和 V d = 0，簡化了轉換器工作的解釋。在實際設計案例中，要準確確定所需的電感值 L、預期占空比 D 和工作效率，必須將 V sw 和 V d 視為非零，并且必須包括它們對轉換器電路的影響.

當開關打開時，二極管關閉，斜坡電流直接從輸入流向輸出。當開關關閉時，電感兩端的電壓會反轉極性，因為它的電感試圖保持電流流動。這將打開“捕獲”二極管，這會導致電流下降，直到開關再次打開并重復循環。上升的導通電流增加了電感磁芯的磁化強度，將能量存儲在電感中，當電流下降時，該能量在關斷周期中返回。

圖 2：開關 DC/DC 轉換器的斜坡波形。

在降壓轉換器的情況下流過電感的電流波形如圖2所示。它包括一個平均直流分量和一個周期性上升和下降的交流分量。直流電流等于直流負載電流 I load。在穩態條件下，周期結束時的電感電流等于周期開始時的電感電流。

受控的開關動作導致

V out = D * V in (等式 1)

其中 D 是占空比，因為 D = t on /(t on + t off )。

開關頻率由 f sw = 1/(t on + t off ) 確定，其中 t on = D/f sw。

將導通期間電路中產生的所有電壓降相加，并假設 V sw = 0，這將導致

V in – V ind – V out = 0(公式 2)

如果我們現在替換 V ind = L * di/dt，di 類似于電流斜坡的幅度 I ramp 和 dt 導通時間 t on，這將使我們得到

L * I斜坡 = (V in – V out ) * t on (等式 3)

這具有顯著的后果，因為等式 3 的右側對于給定的輸入至輸出電壓差是恒定的，這意味著所產生的開關頻率和 t on的值相同。較大的電感值 L 等于較小的斜坡電流分量，而較小的電感值將導致較大的電流斜坡。將這種情況推向極端，如果選擇的電感非常小，則電流斜坡可能非常大，以至于在低負載電流條件下，流過電感的總電流可能會在部分開關周期內降至零. 這種情況稱為不連續模式。

必須牢記另一個重要的考慮因素;在某些應用中可能具有吸引力的較小電感會導致較大的電感斜坡電流，這會導致輸出電壓上出現更高的紋波。較大的 I斜坡 也會增加電感器中的交流磁芯損耗。作為一般準則，I ramp 與最大負載電流相比應該很小;這決定了給定系統設計的電感值 L。

現在，讓我們來看一個關于選擇合適電感值的關鍵規范。它是通過電感器的最大峰值電流。在穩態運行時，它是

I max = I load_max + I ramp /2(等式 4)

查看等式 3，很明顯 I ramp 與 I load無關。為了確定 I max，需要更詳細地考慮 在確定電感器 L 的值之后I ramp如何 隨不同的 V in值變化。

將所有電壓降加起來，并且在 OFF 期間 V d = 0，這會導致

V ind – V out = 0(等式 5)

考慮到 V ind = L * di/dt，其中 di 是電流斜坡 I ramp的幅度， dt 是關斷時間 t off，我們得出

I斜坡 = V out * t off /L(等式 6)

如果 V out 恒定， 則當 t off也處于最大值時，I ramp處于最大值。當 V in處于最大值時會發生這種情況，此條件決定了 I斜坡 和最大峰值電感電流(等式 4)。

隨著電感值的確定和最大電流的已知，這最終導致我們選擇合適的電感器類型。屏蔽和低 EMI 電感器是密集電路板的不錯選擇，就像新的物聯網設計一樣。它們的優點是它們的磁通量包含在電感器體內，從而降低了對周圍 PCB 走線和組件的輻射影響。

例如，Signal Transformer 的 SCRH 系列磁屏蔽部件的電感值范圍為 1.0 μH 至 180 μH，飽和電流范圍為 0.15 A 至 5.0 A，高度范圍為 1.9 mm 至 4 mm。如果需要更大的電感值，SCxxxxC 系列可提供 10 μH 至 1 mH 的值，飽和電流為 0.045 A 至 8 A，高度為 2.92 mm 至 7.62 mm。其他系列可用于大電流應用以及非屏蔽電感器，以實現最高效率和強大的功率處理能力，包括薄型尺寸。

Signal Transformer是 Bel Group 的一部分，提供廣泛的產品組合，包括 2,700 種標準表面貼裝 (SMD) 電感器。

審核編輯：湯梓紅