隨著開關頻率的上升，磁芯損耗和繞組交流損耗會大大減少電感的容許直流電流。

作者：Robert Kollman

您是否有過為降壓穩壓器充電、進行滿功率測試，隨后在進行電感指端溫度測試時留下了永久（燙傷）印記的經歷呢？或許過高的磁芯損耗和交流繞組損耗就是罪魁禍首。在 100-kHz 開關頻率下，一般不會出現任何問題，這是因為磁芯損耗約占總電感損耗的 5% 到 10%。因此，相應的溫升才是問題所在。

一般而言，選擇電感時，只需計算出較大負載電流，通過容許 20% 紋波電流來建立電感。由于磁芯損耗微不足道，因此會出現類似于產品說明書中所示的溫升。然而，隨著開關頻率上升至 500 kHz 以上，磁芯損耗和繞組交流損耗可以極大地減少電感中的容許直流電流。使用 20% 紋波電流來計算電感，可帶來相同的磁芯材料通量激增，其與頻率無關。磁芯損耗方程式的一般形式為：
Pcore = K × F1.3。

因此，如果頻率 (F) 從 100 kHz 升至 500 kHz，則磁芯損耗便為原來的 8 倍。圖 1 顯示了這種上升情況，還描述了隨磁芯損耗上升而下降的容許銅線損耗。100 KHz時，大多數損耗存在于銅線中，同時利用全直流額定電流是可能的。更高頻率時，磁芯損耗變大。由于總容許損耗由磁芯損耗與銅線損耗之和決定，因此銅線損耗必須在磁芯損耗上升時降低。這種情況一直持續到各損耗均相等。較佳情況是，在高頻率下損耗穩定保持相等，并允許從磁結構獲得較大輸出電流。

1 0.5 MHz以上，磁芯損耗大大降低了有效傳導損耗。

圖 1 和圖 2 均基于固定磁芯體積和繞組面積，僅匝數可變。圖 2 顯示了圖 1 所示磁芯損耗的電感和容許直流電流。1.3 MHz以下時，電感與開關頻率成反比關系。電感在1.3 MHz 附近達到較小值。該頻率以上，則必須升高電感來限制磁芯通量，從而將磁芯損耗控制在總損耗的 50%。該電感的額定電流也同時被計算出來。低頻率時，磁芯損耗并不大，額定電流由繞組的功率損耗決定。

下列方程式中，匝數與頻率平方根的倒數成正比，因此頻率升高 2 倍（電感降低一半）得到 0.707 匝數。

L = μ × A × N2/lm

這種情況會以兩種方式影響繞組電阻。匝數減少 30%，而每一匝的可用面積卻增加了41%。由于繞組電阻與匝數/匝面積相關，因此電阻隨頻率上升而線性下降，例如：在本例中電阻下降 2 倍。

較高頻率時，磁芯損耗開始限制容許銅線損耗，直到達到它們相等的點為止。在這一點上，通過增加更多匝數以及升高繞組電阻，使電感上升來降低通量。這樣，電感額定電流減少。因此，從電感尺寸角度來說獲得了較佳頻率。

圖2 磁芯損耗限制峰值功率

總之，增加開關頻率會縮小磁芯尺寸的看法是正確的，但僅限于磁芯損耗和交流 繞組損耗等于銅線損耗的點上。過了這個點，磁芯尺寸實際上會增加。另外，設計人員需要注意的是，在有許多高開關頻率產品可供選擇的今天，一些相應的應用手冊中并沒有清楚地注明過高磁芯損耗存在的一些潛在問題。

作者簡介

Robert Kollman 現任 TI 高級應用經理兼科技委員會資深委員。他擁有超過 30 年的電源電子行業工作經驗，并為電源電子成功設計了磁芯，包括從 sub-watt 到 sub-Megawatt 的磁芯，其工作頻率兆赫茲范圍內。Robert 畢業于得克薩斯 A&M 大學(Texas A&M University)，獲電子工程理學士學位，后又畢業于南衛理公會大學 (Southern Methodist University)，獲電子工程碩士學位。