功率电感器基础讲座——第2章：DC-DC转换器

周五, 19 六月 2020 - 15:00

第1章介绍了功率电感器特性的查看方法及工艺特点上的差异。

功率电感器是构成DC-DC转换器等电压变化电路的功能部件，因此其优劣和常数的选择需要符合DC-DC转换器的工作机制。本章介绍DC-DC转换器的工作机制和功率电感器的作用。

2.1 DC-DC转换器简介

DC-DC转换器是将一定范围的输入电压转换为恒定输出电压的电路总称。其转换方式包括线性稳压器和开关稳压器。另外，电路配置因输入电压的升降而不同，存在多种类型。
<img alt="图2-1 DC-DC转换器的定义" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b979300e-0243-47b4-a5a1-8b830642f634" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-1%20DC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%AE%9A%E4%B9%89.png" />
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图2-1 DC-DC转换器的定义
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2.2 配置DC-DC转换器的必要性

只有电源电路需要配置DC-DC转换器。CPU、内存、LED等配件的运行需要各种DC电压。例如，移动设备的锂离子电池，其电池电压仅为3.7V。调整这些电压差需要配置DC-DC转换器。DC-DC转换器的应用非常普遍,几乎所有电子设备都需要使用。 
<img alt="图2-2 配置DC-DC转换器的必要性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8678451f-c70d-4a43-bb5c-4be7435c47b9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-2%20%E9%85%8D%E7%BD%AEDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%BF%85%E8%A6%81%E6%80%A7.png" />
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图2-2 配置DC-DC转换器的必要性
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2.3 DC-DC转换器的分类

DC-DC转换器分为线性稳压器和开关稳压器。
<img alt="图2-3 DC-DC转换器的分类" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c1c2d160-d045-416b-885b-f172b37b8da9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-3%20DC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%88%86%E7%B1%BB.png" />
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图2-3 DC-DC转换器的分类
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2.3.1 线性稳压器的原理

线性稳压器采用最简单的方式，通过电阻分压转换电压。例如，希望将输入电压的一半转换为输出电压时，可使负载电阻和稳压器的可变电阻相同。
<img alt="图2-3-1 线性稳压器的原理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ecf982ce-868e-4b5a-b05d-6697e5db41d2" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-3-1%20%E7%BA%BF%E6%80%A7%E7%A8%B3%E5%8E%8B%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%8E%9F%E7%90%86.png" />
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图2-3-1 线性稳压器的原理
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本方式具有简单、低价的特点，但由于使用电阻，因此具有输入/输出的电位差越大，功率损耗也越大（效率降低）的缺点，从而导致移动设备等的电池使用时间缩短。部分设备还会配置冷却机构，以降低因功率损耗而产生的热量。因此，大多数情况用于功耗较低、输入/输出电位差较小的电路，而功耗较高的电路基本使用开关稳压器。

2.3.2 开关稳压器的原理

开关稳压器由开关元件、电感器和电容器等功能部件的组合电路构成。可通过快速切换开关的ON/OFF以调节输出电压，在理想状态下可实现无损耗电压转换。
<img alt="图2-3-2 开关稳压器的原理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1e7ad74f-ede8-4107-abdf-9534636bdd5a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-3-2%20%E5%BC%80%E5%85%B3%E7%A8%B3%E5%8E%8B%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%8E%9F%E7%90%86.png" />
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图2-3-2 开关稳压器的原理
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本方式分为绝缘型和非绝缘型。绝缘型开关稳压器采用输入电压（1次侧）和输出电压（2次侧）通过变压器实现绝缘的方式。转换高压电路时，用于防止触电或漏电事故。非绝缘型是相对于绝缘型的叫法，不使用变压器，是输入电压和输出电压之间未进行绝缘的方式。大部分使用电池的移动设备及车载设备的电压较低，因此使用非绝缘型DC-DC转换器。

本节介绍非绝缘型DC-DC转换器的使用示例和具体的工作机制。

2.4 DC-DC转换器的使用示例

下面介绍在智能手机和汽车中使用非绝缘型DC-DC转换器的示例。

2.4.1 案例介绍：智能手机

智能手机的以下配件使用DC-DC转换器

本节介绍数字电路电源、RF电路电源、显示电路电源的具体示例。
<img alt="图2-4-1 智能手机中DC-DC转换器的应用点" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="bd3e5cdf-1269-4e05-8b73-805ffc493ed5" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-1%20%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%89%8B%E6%9C%BA%E4%B8%ADDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%82%B9.png" />
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图2-4-1 智能手机中DC-DC转换器的应用点
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1) 数字电路电源（PMIC*1）

数字电路主要指CPU、GPU、Memory等的电路。数字电路的特点是：比起3.6-3.8V的电池电压，驱动电压仅为0.8-1.8V。因此，需要配置降压型DC-DC转换器。所用DC-DC转换器的特点是：转换频率高、输出电流大。使用体积小、L电感值较低（L约为1uH）的功率电感器。

*1) PMIC：Power Management IC。用于需要配置多通道DC-DC转换器的多功能LSI、且配有多个DC-DC转换器和控制微机的IC。
<img alt="图2-4-1-1 在数字电路中的使用案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5805ff69-25a9-40de-922c-97489caf36e7" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-1-1%20%E5%9C%A8%E6%95%B0%E5%AD%97%E7%94%B5%E8%B7%AF%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%A1%88%E4%BE%8B.png" />
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图2-4-1-1 在数字电路中的使用案例
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2) RF电路电源

继数字电路之后，较多使用DC-DC转换器的电路为RF电路。与DC-DC转换器相关的RF电路主要指包络跟踪IC (ET IC）、基带处理器、蓝牙模块、Wifi模块等的电路。以低于电池的电压驱动，因此需要配置降压型DC-DC转换器。DC-DC转换器的特点是兼有模块化类型，功率电感器及电容器配置于内部（L约为2.2uH）。
<img alt="图2-4-1-2 在RF电路中的使用案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7ad8bcd2-a625-47a0-9537-dd4748c12336" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-1-2%20%E5%9C%A8RF%E7%94%B5%E8%B7%AF%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%A1%88%E4%BE%8B.png" />
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图2-4-1-2 在RF电路中的使用案例
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3) 显示电路电源

智能手机显示屏也使用了DC-DC转换器。液晶显示器的LED背光及有机EL显示面板所需的电压高于电池，因此采用升压型DC-DC转换器。LED背光根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是采用高耐压开关元件，因此难以设置为较高的转换频率。因此使用L电感值较高（L约为10uH）的功率电感器。
<img alt="图2-4-1-3 在显示电路中的使用案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="c557b0cf-7c5e-41b7-bb5f-fe52a465f446" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-1-3%20%E5%9C%A8%E6%98%BE%E7%A4%BA%E7%94%B5%E8%B7%AF%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%A1%88%E4%BE%8B.png" />
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图2-4-1-3 在显示电路中的使用案例
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2.4.2 案例介绍：汽车/Automotive

汽车普遍使用非绝缘型DC-DC转换器。汽车应用大致分为以下几种： 
Power Train及Safety较多使用单路输出DC-DC转换器，Infotainment还会使用PMIC。与智能手机的主要差异为，运行电压较大，需将DC-DC转换器的输入电压调节为12V或48V。应用种类丰富，电感值根据用途会有较大差异。

使用功率电感器的主要应用

<ul>
<li>Powertrain</li>
<li>Safety</li>
<li>Infotainment</li>
<li>Comfort</li>
<li>xEV System</li>
</ul>
<img alt="图2-4-2-1 汽车中DC-DC转换器的应用点" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="641d55c4-e34f-4a55-8680-53ec45366630" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-2-1%20%E6%B1%BD%E8%BD%A6%E4%B8%ADDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%BA%94%E7%94%A8%E7%82%B9.png" />
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图2-4-2-1 汽车中DC-DC转换器的应用点
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本节介绍Safety中使用的ADAS、Head Lamp及Infotainment中使用的IVI案例。

1) ADAS、IVI电源

ADAS及IVI中，驱动应用所需电压低于电池，因此使用降压型DC-DC转换器。电源配置与智能手机或PC类似。应用实例：ADAS的摄像头和传感器、IVI的音响系统。DC-DC转换器的特点是：电压从12V降为3.3～5.0V，然后根据应用继续降压，通常构成1次和2次降压电路。
<img alt="图2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="822fa147-24b4-4728-953b-42ed9f7f9c73" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-2-2%20%E5%9C%A8ADAS%2CIVI%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%A1%88%E4%BE%8B.png" />
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图2-4-2-2 在ADAS,IVI中的使用案例
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2) Head Lamp电源

Head Lamp的LED照明主要使用升压型DC-DC转换器。根据灯的数量调节输出电压。DC-DC转换器的特点是：与智能手机的LED背光相同，使用电感值较高的功率电感器。
<img alt="图2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="5296d912-1c78-447c-92c4-29abe2c2c583" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-4-2-3%20%E5%9C%A8Head%20Lamp%E4%B8%AD%E7%9A%84%E4%BD%BF%E7%94%A8%E6%A1%88%E4%BE%8B.png" />
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图2-4-2-3 在Head Lamp中的使用案例
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2.5 DC-DC转换器的工作原理

下面介绍非绝缘型开关稳压器的工作机制。DC-DC转换器的结构分为降压型、升压型及升降压型。本节以降压型开关稳压器为例，对工作机制进行说明。
<img alt="图2-5-1 降压型DC-DC转换器的基本图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="4830641e-2b81-4d81-a00a-bb07dc7a690f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-1%20%E9%99%8D%E5%8E%8B%E5%9E%8BDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E5%9B%BE.png" />
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图2-5-1 降压型DC-DC转换器的基本图
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图2-5-1为降压型开关稳压器的基本电路图。电路配置了1个功率电感器。SW1为ON时SW2为OFF，SW1为OFF时SW2为ON。 SW在ON/OFF之间切换时的电路变化如图2-5-2所示。假设功率电感器输入侧端子的位置为A点。

SW1为ON、SW2为OFF时，输入电源的电压将直接供给功率电感器，因此A点的电位与Vin相等。SW1为OFF、SW2为ON时，功率电感器与输入电源断开，并连接到GND。因此A点的电位与GND相等。
<img alt="图2-5-2 开关ON/OFF时的工作原理" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="02d7b0ba-9d2e-4e90-9399-78b65d18d752" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-2%20%E5%BC%80%E5%85%B3ON%E3%80%81OFF%E6%97%B6%E7%9A%84%E5%B7%A5%E4%BD%9C%E5%8E%9F%E7%90%86.png" />
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图2-5-2 开关ON/OFF时的工作原理
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这2种状态因转换动作而重复，功率电感器的输入侧（A点）电压在Vin[V]与0[V]之间交替重复。功率电感器的输入侧被施加振幅Vin的脉冲电压。

为了向输出侧供给恒压，功率电感器应如何工作？功率电感器和平滑电容器构成了LC低通滤波器电路。输入侧施加的脉冲电压经过LC电路的平滑化处理后输出。如此考虑就容易理解恒压输出机制。

图2-5-3所示为进行转换动作时A点电压与Vout的关系。上图表示SW1为ON的时间占50%，即占空比为50%。对此时的电压进行平滑化处理后，50% Vin的Vin/2将作为输出电压Vout输出。下图所示为占空比25%的情况。25% Vin的Vin/4将作为输出电压Vout输出。即，输出电压越高占空比也越高，反之亦然。开关稳压器可通过更改转换的占空比，控制各种电压值后进行输出。
<img alt="图2-5-3 降压型DC-DC转换器的电压控制图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ffc38e65-1616-462e-909a-0174e8765f37" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-3%20%E9%99%8D%E5%8E%8B%E5%9E%8BDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E6%8E%A7%E5%88%B6%E5%9B%BE.png" />
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图2-5-3 降压型DC-DC转换器的电压控制图
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根据上述分析，可以认为通过开关控制能对输出电压进行控制。但在选择功率电感器之前，必须了解功率电感器的规格将对效率和噪声产生何种影响。为此需要对电感器的电流进行说明。

下面谈一谈电感器电流。如上所述，功率电感器可对脉冲电压进行平滑化处理，此外还有一个重要作用，它取决于电感器的自感特性。如图2-5-2所示，SW1为ON时输入侧供给的电流为Iout，SW1变为OFF后，输入电源立刻断开，从而无法供给Iout。功率电感器可以解决这个问题。电感器具有自感特性，会沿着阻碍电流变化的方向产生感应电动势。因此，即使电感器上施加的电压消失，也可确保继续产生电流。
<img alt="图2-5-4 功率电感器的电压电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="77c78230-b7f9-4280-b6a4-5b77bb391ce0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-4%20%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.png" />
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图2-5-4 功率电感器的电压电流波形
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图2-5-4为DC-DC转换器工作时，功率电感器的电压波形和电流波形。SW1为ON时，输入电源通电，电感器产生电流。此时，电流随时间增加而上升，积蓄的能量也随之增加。SW1为OFF时，输入侧电压变为0[V]，根据电感器的特性，电流不立即消失，而随时间增加而逐渐减少。也可认为SW1为ON时积蓄的能量在OFF时释放。

功率电感器使电流连续产生，呈现三角波形。流经电感器的三角波电流振幅公式如下。
<img alt="三角波电流振幅公式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="83f73c3a-d8e5-4da2-8fd6-9ddca4a0664a" height="127" src="/sites/default/files/inline-images/%E4%B8%89%E8%A7%92%E6%B3%A2%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%8C%AF%E5%B9%85%E5%85%AC%E5%BC%8F.jpg" width="460" />
 
上式的各项参数如何影响工作电流波形？

本公司曾发布web工具“DC-DC转换器辅助设计工具”。该工具可以选择符合DC-DC转换器运行条件的功率电感器和多层陶瓷电容器。下面介绍使用本工具后，各种参数对DC-DC转换器的运行产生何种影响。

<a href="https://ds.murata.co.jp/mpst/">DC-DC转换器辅助设计工具</a>
<img alt="图2-5-5 DC-DC转换器辅助设计工具示例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="f8429425-e4dd-4e04-9d52-ed788850f431" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-5%20DC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E8%BE%85%E5%8A%A9%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E5%B7%A5%E5%85%B7%E7%A4%BA%E4%BE%8B.png" />
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图2-5-5 DC-DC转换器辅助设计工具示例
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按以下方式设置标准条件，模拟各参数变动时的情况。（将模拟工具的计算结果导出为CSV文件后，根据该文件生成图表。）

＜标准条件＞ 
Vin：3.6V 
Vout：1.8V 
周波数：2MHz 
Iout：1.5A 
L：1.0μH

Vin、Vout是决定电感器电压大小和占空比的参数。改变Vout后，电压波形随之变化(图2-5-6)。改变其他参数后，频率发生变化，但电压大小和占空比不变。电压变动后，电流波形随之变化。 
如果Vin、Vout设为较大值，则时间变化后电流变化量也呈增大趋势，纹波电流⊿I变大。

电感或频率变动时电压不变，但纹波电流会受到影响。电感增大会抑制电流变化，因此纹波电流将变小(图2-5-7)。频率增加会使1个循环的时间变短，因此纹波电流将变小(图2-5-8）。 
Iout变动时，三角波电流的波形不变，但电流平均值会随Iout的大小而变化（图2-5-9)。
<img alt="图2-5-6 Vout变动时的电压电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="cf1442b9-f8a8-4c37-a5ad-1d7916f971f0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-6%20Vout%E5%8F%98%E5%8A%A8%E6%97%B6%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.png" />
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图2-5-6 Vout变动时的电压电流波形
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<img alt="图2-5-7 电感变动时的电压电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="fb083867-399b-48ac-a01f-bde0cfed154b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-7%20%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%8F%98%E5%8A%A8%E6%97%B6%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.png" />
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图2-5-7 电感变动时的电压电流波形
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<img alt="图2-5-8 频率变动时的电压电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="94a946ce-4a46-42b1-96f0-6b255a910717" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-8%20%E9%A2%91%E7%8E%87%E5%8F%98%E5%8A%A8%E6%97%B6%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.png" />
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图2-5-8 频率变动时的电压电流波形
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<img alt="图2-5-9 Iout变动时的电压电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d2047eb9-4874-4495-8ed5-a8656fdd0b92" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2-5-9%20Iout%E5%8F%98%E5%8A%A8%E6%97%B6%E7%9A%84%E7%94%B5%E5%8E%8B%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.png" />
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图2-5-9 Iout变动时的电压电流波形
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功率电感器的电压和电流波形取决于DC-DC转换器的各条件和功率电感器的电感。

1.2节对电感和直流叠加特性进行了说明。如果电感过低，则纹波电流将变大，如果直流叠加特性不佳，会在通入大电流时导致电感降低，从而使纹波电流增加。此类电感器的规格对DC-DC转换器的运行产生较大影响。

第2章对DC-DC转换器的种类和工作机制进行了说明。

要掌握功率电感器的必要特性，应了解工作机制和电感器电流的波形，这一点非常重要。