DC-DC｜評估篇
開關式穩壓器的評估：電感電流之測量
2017.08.10
重點
・電感對DC-DC轉換器而言是重要零件。除了評估之外，在設計上亦無可避免。
・測量時使用示波器和電流探針來確認電流波形是否適當、有無飽和。
・電感電流根據顛峰値及平均値兩方進行檢討。
「開關式穩壓器的評估」第4項為「電感電流之測量」，說明電感電流之測量方法和評估重點。
・關於電感（inductor）
一開始要稍微偏離一下主題。這裡將右圖DC-DC轉換器（converter）輸出所使用之L統一稱為「電感」。近來似乎大多稱為電感，不過使用線圈（coil）或扼流線圈（choke coil）等稱呼也不在少數。此外，也有使用電抗器（reactor）之稱呼。
儘管想說在DC-DC轉換器中都是同樣的東西，不過線圈是捲線物之總稱，而電感據說也同義。扼流線圈是不通過高頻率電流用途之線圈。只是，即使在業界似乎也沒有嚴格的規定，而是使用熟悉的言語。據說IEC等圈際規格中常用inductor一詞（詳細未確認）。近年使用電感的情況或許正在逐漸增加。
好了，現在進入主題。首先，須確認電感從事什麼樣的工作。簡單來說，電阻不論AC或DC，總之無關頻率，都會限制電流在一定程度，而電感若電壓相同的話頻率會變高致使電流難以流動，DC方面可以想成沒有電阻成分。與電容做比較的話，由於電容不通過DC而通過AC，故亦可以說反向運作。電感如電阻般運作之原理為電磁誘導。此外，藉由自我誘導來產生電動勢（electromotive force）。此效果之大小以感應係數（inductance）表示。
降壓型之DC-DC轉換器中，上圖所示之電感基本上扮演著平滑化的角色。上圖電感被輸入輸出電晶體之ON-OFF矩形波電壓時，流動之電流會因電感而可以傾斜至電流輸出入成為三角波。如此一來，矩形波形成平滑之三角波，這是基本。
・電感電流和輸出漣波電壓
為了測量電感電流並判斷是否適當，特以數學式來表示電感電流和輸出漣波電壓。（下左圖中，因圖出處之關係而使用「線圈」一詞標示。當然，同時也是電感的意思。）
這些數學式是設計DC-DC轉換器時必定會出現的公式。若能想像與各項之關係，想必評估就容易多了。
以⊿IL表示之電感電流三角波顛峰（peak）當感應係數L變大時會變小。此外還知道，即便開關頻率變高時也會變小，以⊿VREP表示之漣波電壓由⊿IL及電容ESR支配。並以此為基礎評估已測量之電感電流。
・電感電流之測量方法
電感電流使用電流探針（probe）以示波器觀察波形。電流探針由於必須夾住電流路徑（current path），故必須像照片般露出夾鉗（clip）用線。
上右波形圖中，上為開關電壓波形、下為電感電流之波形。此實測波形可以說接近理想，可以觀察到漂亮的三角波。
這裡的評估重點以剛才也出現過的右圖來說明。這些其實是設計時決定電感規格的重點。也就是說，最後必須確認設計時所選擇之電感實際上是否適當。
電感（線圈）之飽和電流應該選擇大於IOUTMAX加⊿IL/2之値。請與實測値進行比較。
倘若飽和電流之容許値不充分，則電感將會飽和，電流會急劇流動，故三角波之斜度會如二次曲線般歪斜。最糟情況有時超出預測之電流會流入開關式電晶體導致損壞，因此這是重要的檢查點。
電感電流之評估重點
評估電感及電感電流時之重點整理如下：
- 定數雖然依照數據表決定，但務必進行實測。
- 測量時使用示波器及電流探針。
- 確認電流波形是否適當、有無飽和。
- 電感電流根據顛峰値和平均値兩方進行檢討。
- 電感之選擇根據數學式之要求、IOUTMAX＋⊿IL/2進行考量。
電感之運作有時難以理解，相信勢必有必會感到棘手。儘管如此，對DC-DC轉換器而言卻是不可或缺的零件，因此最好以實測反覆進行評估等來加深理解。
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