在設(shè)計(jì)DC-DC電路時，經(jīng)常會考慮它的效率，90%還是在80%的效率對于一個消費(fèi)電子設(shè)備的續(xù)航來說，存在非常大的區(qū)別。
有時候在看某芯片的規(guī)格書，器件標(biāo)稱的效率能達(dá)到92%。但是自己按照同樣的輸入、輸出電壓、負(fù)載電流來設(shè)計(jì)電路，然后測試效率，為什么測試的結(jié)果只有85%，87%，就是達(dá)不到90%以上呢？
實(shí)際上DC-DC的效率測試，不僅僅和芯片有關(guān)，與我們的測試方法，電感和電容的選擇，芯片的工作模式也有關(guān)系。
今天這篇文章我們來聊聊電感的5大損耗，關(guān)于測試方法，芯片工作模式，在后續(xù)的文章中會有分享。本篇文章的框架如下：
- 趨膚效應(yīng)
- 鄰近效應(yīng)
- 鐵損銅損
- 渦流損耗
- 磁滯損耗
01 趨膚效應(yīng)
在分析電感的損耗之前需要了解兩個高頻的效應(yīng)——趨膚效應(yīng)，鄰近效應(yīng)。
趨膚效應(yīng)：交變電流通過導(dǎo)線時，電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的，導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度，且交變電流的頻率越高，這種趨勢越明顯，該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effiect)，趨膚效應(yīng)也稱集膚效應(yīng)。
如果流向?qū)w的電流的頻率升高，電流就會只流過導(dǎo)體的表面，表面部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做趨膚效應(yīng)，也叫做表皮效應(yīng)。
產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的本質(zhì)原因是電流和磁場的相關(guān)關(guān)系，用下面的圖來表示：
對一根流過電流為I的導(dǎo)線，在導(dǎo)線的垂直平面形成交變磁場，交變磁場在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流電流，渦流在導(dǎo)體內(nèi)部與電流的變化趨勢相反，阻礙電流的變化，渦流的變化在導(dǎo)體表面與電流的變化趨勢相同。
在導(dǎo)體內(nèi)部，等效電阻變大，而導(dǎo)體表面等效電阻變小，因此電流更趨向于在導(dǎo)體表面流動，但相比電流在整個截面積為S的導(dǎo)線上流動，在表面流動意味著導(dǎo)線的電阻增大了。
02 鄰近效應(yīng)
鄰近效應(yīng)：多根導(dǎo)線鄰近時，每個繞組形成的磁場感應(yīng)渦流，高頻時會集中于導(dǎo)體內(nèi)的電流鄰近的導(dǎo)線相鄰接的狹小區(qū)域而流過，鄰近部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做鄰近效應(yīng)。
如下圖所示，兩個同方向的導(dǎo)線流通相同方向的電流，在兩個導(dǎo)線相鄰的位置電流的大小為電流I減去渦流，而在遠(yuǎn)離的一邊，電流為I加上渦流。
上面的兩相鄰導(dǎo)體電流同相流動時電流的分布，如果兩個導(dǎo)體的電流是反向的流動，導(dǎo)體的之間線纜的流動如下所示：
當(dāng)回流導(dǎo)體靠近時，兩根導(dǎo)線的場向量將相加。在兩導(dǎo)體相鄰之間，磁場方向相同而加強(qiáng)；兩導(dǎo)線之外側(cè)，磁場相反而抵銷，磁場很弱，或?yàn)榱?。在?dǎo)體內(nèi)部，由兩導(dǎo)體外側(cè)向內(nèi)逐漸加強(qiáng)，到達(dá)導(dǎo)體的內(nèi)表面時磁場最強(qiáng)。
03 鐵損 銅損
在電感中主要有4個損耗，銅損，鐵損，渦流損耗，磁滯損耗。
銅損：電流流向?qū)Ь€時的電阻成分引起的損耗稱為銅損。
對于一個電感來說，本身就只有兩部分，線圈和磁芯，其中線圈為銅損，磁芯為鐵損。磁束通過磁芯時磁芯內(nèi)產(chǎn)生的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)稱為鐵損。因此，鐵損都是有磁芯產(chǎn)生的。
04 渦流損耗
渦流損耗：因電磁感應(yīng)而變化的磁場會在導(dǎo)體的磁芯中產(chǎn)生渦狀的電流。產(chǎn)生此電流的能量會因磁芯材料的電阻而被轉(zhuǎn)換成熱并成為損耗。我們將這種損耗叫做渦流損耗。
05 磁滯損耗
磁滯損耗：如果是磁芯內(nèi)的磁場變化或者反轉(zhuǎn)，就會伴隨磁滯（磁芯材料的BH圖中所示的磁滯回線）而返回原先的狀態(tài)。為了此磁滯的運(yùn)動而消耗的能量會作為熱損耗掉。我們將這種損耗叫做磁滯損耗，磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比。
根據(jù)前面的分析，磁芯在磁場中會被磁化，磁化的過程會使內(nèi)部的磁疇發(fā)現(xiàn)方向的偏轉(zhuǎn)，在偏轉(zhuǎn)的時候，與外磁場方向相差不大的磁疇發(fā)生了‘彈性’轉(zhuǎn)動，這就是說當(dāng)外磁場去掉時，磁疇仍能恢復(fù)原來的方向；而還有一部分磁疇要克服磁疇壁之間存在摩擦，發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動，即當(dāng)外磁場去除時，磁疇仍保持磁化方向。
因此磁化時，送到磁場的能量包含兩部分：前者轉(zhuǎn)為勢能，即去掉外磁化電流時，磁場能量可以返回電路；而后者變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉，這就是磁滯損耗。根基磁滯曲線可知，當(dāng)磁滯曲線的面積越大時，需要克服摩擦摩擦發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動需要的能量越多。