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【干货】电感饱和怎么判断

admin1年前 (2023-07-26)电子1770

电感是DC / DC电源中的重要组成部分。选择电感需要考虑很多因素,例如电感值、DCR、尺寸和饱和电流。电感的饱和特性常会被人们误解而带来麻烦。本文将探讨电感如何达到饱和、饱和如何影响电路,以及检测电感饱和的方法。

一、电感饱和的原因

先直观的认识下什么是电感饱和,如图1:


  • 我们知道当图1线圈中通过电流时,线圈会产生磁场;

  • 磁芯在磁场的作用下会被磁化,其内部磁畴会慢慢旋转;

  • 当磁芯被完全磁化时,磁畴方向全部和磁场一致,即使再增加外磁场,磁芯也没有可以旋转的磁畴了,此时的电感就进入了饱和状态。


从另一个角度来看,如图2所示的磁化曲线,磁通密度B与磁场强度H之间满足图2中右侧公式:

  • 当磁通密度达到Bm时,磁通密度不再随磁场强度的增大而大幅度增大,此时电感达到饱和。


由电感与磁导率µ的关系式可知:


  • 当电感饱和后,µ会大幅度减小,最终导致电感量大幅降低,失去抑制电流的能力。


二、判断电感饱和的诀窍


在实际应用中有没有判断电感饱和的诀窍呢?

可以总结为两大类:理论计算和实验测试。


  • 理论计算可从最大磁通密度和最大电感电流入手;

  • 实验测试主要关注电感电流波形和一些其他初步判断方法。

下面就一一介绍这些方法。


计算磁通密度


此方法适用于利用磁芯来设计电感的场景。磁芯参数包括磁路长度le,有效面积Ae等。磁芯的型号还决定了相应的磁材牌号,磁材对磁芯损耗,饱和磁通密度等做了相应规定。

有了这些材料,我们就能根据实际设计情况来计算最大磁通密度,公式如下:

实际中可简化计算,用ui来代替ur;最后与磁材饱和磁通密度相比较,就能判断设计的电感是否有饱和的风险。


计算最大电感电流


此方法适用于直接利用成品电感来设计电路。


不同的电路拓扑对电感电流计算有不同的公式。


以Buck芯片MP2145为例,可以按照如下公式计算,将计算结果与电感规格值相比较就能判断电感是否会饱和。

通过电感电流波形判断


此方法也是工程实际中最常见和最实用的的方法。


还是以MP2145为例,使用MPSmart仿真工具进行仿真,从仿真波形可以知道,当电感没有饱和时,电感电流是一个斜率一定的三角波,当电感饱和时电感电流波形会有一个明显畸变,这是由于饱和后感量降低造成的。

我们在工程实际中就可以基于此观察电感电流波形是否存在畸变,来判断电感是否饱和。


下面是在MP2145 Demo板上实测波形,可以看到饱和后有明显的畸变,与仿真结果一致。

测量电感是否异常升温,听是否有异常啸叫


在工程实际中还有很多情况,我们可能不能准确知道磁芯型号,也很难知道电感饱和电流大小,有时候也不能方便的测试电感电流;这时候我们还可以通过测量电感是否有异常温升,或者听是否有异常啸叫等手段来初步判断是否发生了饱和。


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