解析电源设计2-储能元件-电感

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电感

与理想电容器相对应，理想电感是一种通直流隔交流的电子元件。电感通过把电能储存成磁能，达成储能目的。组成电感的材料没有电容那么复杂，是由硅钢片制作的铁芯，和在其上用铜线缠绕的线圈来构成的。 图1 电源模块上的电感元件 根据中学物理学知识，我们知道，当直流电通过线圈时，线圈作为为普通导线，会形成环绕导线的电场，不过没有磁场的产生，当有交流电作用于线圈的时候，电场随着电流的变动而产生变动，变化的电场产生了磁场，线圈中间的铁芯则为了更好的传递磁场的磁通量而设计，同时，变化的磁场又产生电场作用于原来的电路，从而形成交流环境下电感的阻抗计算公式。 z=jωL 从公式可见，其阻抗和交流频率成正比，因此对于频率为0的直流成分，其阻抗也为0，而交流的频率越大，其阻抗就越大。 电感的测量单位是亨（H），电感器电感量的大小，主要取决于线圈的圈数（匝数）、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。通常，线圈圈数越多、绕制的线圈越密集，电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大；磁心导磁率越大的线圈，电感量也越大。 电感元件也包含分布电容，这是由线圈和铁芯材料本身及其绕制工艺产生的，需要通过更先进的加工方法加以改善。对于电感而言，其能量损耗方式被分成铜损和铁损两种，由线圈产生的损耗称为铜损，由于铁芯导磁造成的能量损失称为铁损。 瞧一下那一匝匝缠绕起来的线圈，直径细而且拉开的总长度就很长，因此会在直流电流的时候就会引入直流电阻，对于高频电流而言，其传输还引入了趋肤效应，这个效应可以翻教科书温习一下，它是因为交变电场产生感应电流，而此电流出现在减小原来电流的方向，导线中心得感应电流最大，因此它使得电流有效传输不能在导线截面内平均进行，而是越往导线边缘，有效电流越大。这是导致铜损的另一因素。 在看看铁损，它通常由涡流损耗和磁滞损耗构成，前者是由于感应涡流在磁芯中流动将产生I^2×R的功耗，后者是指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁芯中的磁滞损耗正比于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使元件升温，效率降低。 铜损和铁损不仅在电感中出现，在电磁场工作的变压器和电动机领域也是重要的研究对象，因此还会进行对于品质因素的研究，在无辐射系统中，它定义为 Q=无功功率/有功功率。 在【1】中就对提高Q的电感工艺提出了几个常用的办法。 图2 电感滤波 图2展示了电感滤波的原理图，对比电容滤波和电感滤波，可得如下结果： 表1 电容滤波和电感滤波的比较 有了对储能元件的分析，下一步我们就可以看看如何设计线性电源和开关电源了。