功率电感器基础讲座——第1章

周五, 26 七月 2019 - 14:17

第1章何谓功率电感器？

1.1 功率电感器概要

线圈是呈螺旋状的电极的总称。其中，用于电气用途线圈被称为电感器，并且可以分为两类，一类是用于信号系统的RF电感器，另一类是用于电源系统的功率电感器。本项中说明的功率电感器，是在DC-DC转换器等的电压转换电路中，构成其一部分的元件。

下面说明功率电感器在DC-DC转换器中的作用。功率电感器被用于将某种电压转换为所需电压的升压、降压，或者被用于升降压电路。其中，主要在开关调节器式电路中使用。

图1-1为开关调节器式降压电路的事例。

利用IC、功率电感器、电容器，将直流输入电压转换为所需的输出电压。功率电感器承担的作用是与电容器配合，将从IC输出的矩形波输出转换为直流（详情在第2章中说明）。

只要缺少其中的任何一个，就无法正确整流。
<img alt="降压型开关调节器概要" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="d3bc2766-5736-4e66-836e-4192ff9cb0c9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-1%20%E9%99%8D%E5%8E%8B%E5%9E%8B%E5%BC%80%E5%85%B3%E8%B0%83%E8%8A%82%E5%99%A8%E6%A6%82%E8%A6%81.jpg" />
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图1-1 降压型开关调节器概要
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1.2 功率电感器的基本特性

那么在选定功率电感器时，应当查看哪些参数呢？各制造商的功率电感器产品目录上，主要记载了下列技术规格。图1-2呈现了技术规格表的一个示例。

◆电感

◆额定电流……直流叠加额定电流 Isat 
                             温升额定电流 Itemp 
     ◆直流阻抗Rdc

◆工作温度范围
<img alt="功率电感器特性表" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="53916ab7-481b-4aa6-a749-a15bd7490997" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-2%20%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E7%89%B9%E6%80%A7%E8%A1%A8.jpg" />
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图1-2 功率电感器特性表
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可是仅凭这个，还是不清楚应该选择哪种技术规格的功率电感器。例如，电感高的好还是低的好、需要多大的额定电流之类，因为必须根据DC-DC转换器的工作条件适当地选择。本章介绍功率电感器技术规格的看法。

＜电感＞ 
电感值是影响纹波电流和负载响应特性的一个非常重要的参数。DC-DC转换器使用的功率电感器中通过图1-3所示的三角波电流。一般来说，可将纹波电流⊿IL设置为负载电流Iout的30%左右。因此，只要决定DC-DC转换器的条件，就能根据以下算式计算适当的功率电感器电感。
<img alt="图1-3 功率电感器中通过的电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="febde367-8f29-465e-bc5d-32ad607f5a5b" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-3%20%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E4%B8%AD%E9%80%9A%E8%BF%87%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.PNG" />
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图1-3 功率电感器中通过的电流波形
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但是，在DC-DC转换器上几乎都记载了功率电感器的适当电感值作为参考值。因此，即使不进行上述算式之类的计算，也能按照制造商的参考值选定。

＜额定电流＞ 
额定电流规定了电流值的上限，通过的直流电流超过该值时，无法保障质量。功率电感器的额定电流有两种，一种规定了直流叠加额定电流（Saturation），另一种规定了温升额定电流（Temperature）。各自具有重要含义，往往分别记载技术规格。

ⅰ）直流叠加额定电流 Isat 
电感器的特性之一是直流叠加特性。为了获取高电感，电感器的芯部（磁心）采用铁氧体等磁性体材料。电流通过电感器时，会产生磁性体的磁饱和现象，电感会下降。将这种特性称为直流叠加特性。直流叠加额定电流规定了电感相对于未叠加电流的初始特性下降一定比例时的电流值。

ⅱ）温升额定电流 Itemp 
这是以元件的发热为指标的额定电流规定，超过该范围使用，会导致元件损坏或组件故障。一般来说是按温度上升⊿40℃的电流值规定的。

下面看一下作为功率电感器使用时，应该如何决定这些额定电流。如图1-3所示，电感器中最大通过Iout+⊿IL/2的电流。如果电流值在Isat以上，电感的下降就会增大，如图1-4的红线所示，三角波电流的形状异常，纹波电流增加。由于纹波电流成为改变输出电压的因素，如果纹波电流增加，就会引起负载端系统动作异常。因此，必须选定Isat在最大电流以上的产品。

至于温升额定电流，即使超过额定值，电感器也不会马上损坏。因此，应以Itemp值在Iout以上为标准选定。
<img alt="直流叠加特性引起的纹波电流变动" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="14bc01bc-ab50-49d7-a40b-179792bb6d86" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-4%20%E7%9B%B4%E6%B5%81%E5%8F%A0%E5%8A%A0%E7%89%B9%E6%80%A7%E5%BC%95%E8%B5%B7%E7%9A%84%E7%BA%B9%E6%B3%A2%E7%94%B5%E6%B5%81%E5%8F%98%E5%8A%A8.jpg" />
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图1-4 直流叠加特性引起的纹波电流变动
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＜直流阻抗 Rdc＞ 
表示通过直流电时的阻抗值。由于该阻抗值，因发热而产生电力损耗，所以直流阻抗越小损耗越少。但是，减小Rdc与直流叠加特性、尺寸小型化等存在折衷关系。只要从上述的满足电感、额定电流等必要特性的电感器当中，选定Rdc更小的产品即可。

＜工作温度范围＞ 
这是规定使用电感器时的环境温度容许范围的参数。温度的影响因电路的工作环境而异，因此要设想实际使用环境后选定。

下面看一下实际的DC-DC转换器的功率电感器选定示例。以图1-5所示的降压DC-DC转换器为例。这里假设在下列条件下动作的情况。
<img alt="降压DC-DC转换器事例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="1993675a-6c78-4029-bd5e-fff95c3ff127" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-5%20%E9%99%8D%E5%8E%8BDC-DC%E8%BD%AC%E6%8D%A2%E5%99%A8%E4%BA%8B%E4%BE%8B.PNG" />
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图1-5 降压DC-DC转换器事例
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根据以下算式，适当电感的大小约为1.0μH。
<img alt="算式" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="85d4d1ee-91f1-47f7-b9f5-f0b2034cb757" src="/sites/default/files/inline-images/1-5.jpg" />
同时，Iout=1.5A，⊿IL约为Iout的30%，即0.45A，因此最大电流为如下所示： 
Iout+⊿IL/2＝1.725A

如此一来，大致需要Itemp1.5A以上、Isat1.8A以上的电感器。

只要使用村田的设计辅助软件“SimSurfing/DC-DC转换器设计辅助工具”，即可根据所要求的技术规格搜索最佳产品。如图1-6的红框所示，在搜索项目中输入电感、尺寸、Itemp、Isat的要求值后，即在蓝框部分列表显示符合条件的产品。
<img alt="利用设计辅助软件“SimSurfing”根据条件搜索" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3af8ed7c-afe3-409a-99a6-5dda82f3de5f" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-6%20%E5%88%A9%E7%94%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E8%BE%85%E5%8A%A9%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E2%80%9CSimSurfing%E2%80%9D%E6%A0%B9%E6%8D%AE%E6%9D%A1%E4%BB%B6%E6%90%9C%E7%B4%A2.jpg" />
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图1-6 利用设计辅助软件“SimSurfing”根据条件搜索
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如果选择产品，还能比较直流叠加特性等基本特性。

在图1-7中，选择了 
DFE252010F-1R0M 
LQH2HPN1R0MGR 
LQM2HPN1R0MGH 
三种产品比较叠加特性。根据这些结果可知，在本事例中DFE252010F-1R0M满足要求条件，具有低Rdc和高Isat特性。
<img alt="利用设计辅助软件“SimSurfing” 比较基本特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="9362cdd5-1b84-447f-a1ad-2256aad69f3a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-7%20%E5%88%A9%E7%94%A8%E8%AE%BE%E8%AE%A1%E8%BE%85%E5%8A%A9%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E2%80%9CSimSurfing%E2%80%9D%20%E6%AF%94%E8%BE%83%E5%9F%BA%E6%9C%AC%E7%89%B9%E6%80%A7.jpg" />
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图1-7 利用设计辅助软件“SimSurfing” 比较基本特性
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1.3 功率电感器的类型

下面介绍功率电感器的类型。村田的功率电感器有三种结构的产品线，分别是金属合金绕线型、铁氧体绕线型、铁氧体多层型。从可穿戴设备、智能手机等移动设备到医疗、工业电器、汽车设备，对于广泛用途，提供最佳电感器。 
<img alt="功率电感器的结构" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="76f4b755-d7c5-4b12-a3a6-412931c3c119" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-8%20%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84.jpg" />
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图1-8 功率电感器的结构
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下面分别介绍各种结构的特点和技术。

＜金属合金绕线型＞ 
金属合金绕线型是采用绕线和涂布了树脂的金属磁性粉热压而成电感器。从大型产品到小型产品，可以适用于大电流领域。金属磁性材料与后述的铁氧体材相比，虽然透磁率较低，但却具有出色的直流叠加特性，属于适合大电流的材料。近年来，DC-DC转换器的开关速度不断提高，低电感需求日益增加，金属合金绕线型在大部分市场逐渐成为主要商品。

此外，金属磁性材料还有一大特点，就是温度特性优于铁氧体材料。导磁率受环境温度的影响很小，因此在高温时也能保持稳定的直流叠加特性。目标市场涵盖广泛领域，包括汽车、智能手机、HDD等等。

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DFEC系列 
DFEG系列 
DFEH系列
<img alt="金属合金绕线型的结构与外观" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="af221566-b161-4e51-a9ca-8a834cb6ebac" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-9%20%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%90%88%E9%87%91%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%B8%8E%E5%A4%96%E8%A7%82.jpg" />
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图1-9 金属合金绕线型的结构与外观
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金属合金绕线型技术包括金属磁性材料及其加工技术、采用了铜丝的绕线技术（图1-10）。村田确立了自己的材料技术，可以实现独特的绕线结构、高导磁率及高绝缘性。依靠这些技术的融合，可以提高电感的获取效率、降低直流阻抗，实现支持大电流的产品线。
<img alt="金属合金绕线型的截面图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="8eceef98-72a2-4610-a0a0-c88002d57599" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-10%20%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%90%88%E9%87%91%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%88%AA%E9%9D%A2%E5%9B%BE%E5%9B%B3.jpg" />
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图1-10 金属合金绕线型的截面图
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＜铁氧体绕线型＞ 
铁氧体绕线型电感器是将铜丝在铁氧体芯部盘绕成螺旋状。村田的大多数铁氧体绕线型，都在铁氧体芯部盘绕的铜丝上涂布了磁性树脂。树脂涂层的目的是减少漏磁通，提高电感的获取效率和强度。因为铁氧体的导磁率很高，在高电感领域使用时，选择铁氧体绕线型有利。目标市场涵盖广泛领域，包括智能手机、TV、HDD等等。

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LQH_P系列 
LQH2MC_02系列 
LQH2MC_52系列
<img alt="铁氧体绕线型的结构与外观" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="da5580fc-1650-4c6b-b9ff-de721dde3b5a" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-11%20%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%B8%8E%E5%A4%96%E8%A7%82.jpg" />
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图1-11 铁氧体绕线型的结构与外观
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铁氧体绕线型技术、包括铁氧体材料和磁性树脂材料技术、铁氧体芯形成技术以及从细线到粗线对应的绕组技术(图1-12)。村田将这些技术相结合,实现了尺寸种类繁多和广泛的电感产品。
<img alt=" 铁氧体绕线型的截面图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="57e17f6e-b7ce-4df8-96db-a9f5bd784ef4" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-12%20%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%88%AA%E9%9D%A2%E5%9B%BE.jpg" />
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图1-12 铁氧体绕线型的截面图
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＜铁氧体多层型＞ 
铁氧体多层型电感器是将磁性材料与内部电极交互叠加烧结而成的。与绕线结构相比，可以实现小型化、薄型化。对于小型低电感需求，使用金属合金绕线型的情况日益增加，小型大L、高耐压领域越来越需要铁氧体多层型的特性。

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LQM_F系列 
LQM_P系列
<img alt="铁氧体多层型的结构与外观" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3068b658-d3ae-4624-801e-c76883ce74c8" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-13%20%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E5%A4%9A%E5%B1%82%E5%9E%8B%E7%9A%84%E7%BB%93%E6%9E%84%E4%B8%8E%E5%A4%96%E8%A7%82.jpg" />
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图1-13 铁氧体多层型的结构与外观
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铁氧体多层型技术，包括铁氧体材料技术、高纵横比的内部电极形成技术、电路设计技术、叠层技术（图1-14）。村田获得了无法靠传统的叠片实现的内部电极高纵横比技术，可以进一步降低阻抗。同时，依靠高自由度的磁路间隙形成技术，抑制磁饱和，实现了优异的直流叠加特性。依靠这些技术，实现了支持需要小型化和薄型化领域的产品线。
<img alt="铁氧体多层型的截面图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="b811bb19-415a-4070-8467-c81ede2b93fd" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-14%20%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E5%A4%9A%E5%B1%82%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%88%AA%E9%9D%A2%E5%9B%BE.jpg" />
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图1-14 铁氧体多层型的截面图
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下面比较一下上述各种结构的功率电感器的性能。

＜功率电感器的性能比较＞ 
要比较的功率电感器性能，主要有1)电感值、2)直流叠加特性、3)温度特性、4)耐电压、5)漏磁通。了解这些信息，就能分别选择结构适合各种必要性能的功率电感器。

1) 电感值 
电感值的可获取范围，取决于功率电感器的结构。铁因为铁氧体材料的导磁率高，氧体绕线型可以获取10uH以上的高电感，范围广泛。铁氧体多层型的提及比绕线型小，因此属于10uH以下的低电感领域。金属合金绕线型也因为其材料特性，最适合10uH以下的低电感。
<img alt="各种结构的电感范围" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="77e59116-da75-481c-955a-2609ef039ad3" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-15%20%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%84%9F%E8%8C%83%E5%9B%B4.jpg" />
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图1-15 各种结构的电感范围
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2) 直流叠加特性 
数字电路之类的大电流通过的电路，要求功率电感器的电感不因大电流而下降，也就是说，需要直流叠加特性优良的功率电感器。这是因为电感不下降，纹波电流就能固定不变，从而保持稳定的电路动作。金属合金绕线型与铁氧体型相比，不易产生磁饱和，因此具备出色的直流叠加特性。
<img alt="各种结构的叠加特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="539c999a-5a08-4659-ad19-b3a5858d7d65" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-16%20%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E5%8F%A0%E5%8A%A0%E7%89%B9%E6%80%A7.jpg" />
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图1-16 各种结构的叠加特性
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3) 温度特性 
就像汽车用电源电路一样，在高温下使用功率电感器时，其温度特性非常重要。磁性材料具有导磁率随温度变化的温度特性，与铁氧体相比，温度对金属磁性材料导磁率的影响较小，可以说这一特性非常出色。

金属合金绕线型的电感值和直流叠加特性变化不大。图1-17是环境温度25℃～125℃时，金属合金绕线型与铁氧体品的直流叠加特性。可见金属合金绕线型在125℃时，其特性与25℃时没有区别。
<img alt="各种结构的温度特性" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="23e0dc18-2130-4745-897a-038d978eb6d9" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-17%20%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E6%B8%A9%E5%BA%A6%E7%89%B9%E6%80%A7.jpg" />
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图1-17 各种结构的温度特性
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4) 耐电压 
LED等升压电路、高降压比的电源电路，必须注意功率电感器的耐电压。金属合金绕线型采用绝缘树脂覆盖金属磁粉，确保其绝缘性，与铁氧体绕线型相比，有绝缘性较低的趋势。因此，金属合金绕线型具有许多出色的特性，在高耐电压下使用时必须确认。

5) 漏磁通 
来自电感器的漏磁通，会作为一种噪声，对其他电路产生影响；特别是元件之间的距离受到制约的电源电路，可能会导致信号等级下降或失灵等。漏磁通的大小往往取决于电感器的结构，属于闭合磁路结构的金属合金绕线型和铁氧体多层型有利。这是因为要想获取相同电感时，采用金属合金绕线型、铁氧体多层型，可以减少漏到外部的磁通（图1-18）。各种结构的漏磁通的比较结果如图1-19所示。根据其结果可知，金属合金绕线型、铁氧体多层型与铁氧体绕线型相比，漏磁通被控制在较低水平。
<img alt="金属合金绕线型与铁氧体多层型的截面图" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0c90f338-87ad-4ca7-9062-9b7f41759121" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-18%20%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%90%88%E9%87%91%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E4%B8%8E%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E5%A4%9A%E5%B1%82%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%88%AA%E9%9D%A2%E5%9B%BE.jpg" />
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图1-18 金属合金绕线型与铁氧体多层型的截面图
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<img alt="各种结构的漏磁通" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="052032b2-606d-40af-940d-ddae1a1d54d5" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-19%20%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E6%BC%8F%E7%A3%81%E9%80%9A.jpg" />
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图1-19 各种结构的漏磁通
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表1汇总了这些性能比较结果。选择功率电感器时，请以这些为参考，选择适合用途的产品。

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表1 各种结构的性能比较
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<img alt="表1 各种结构的性能比较" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="001be180-28d0-492e-9c5a-a0cba7ff88d8" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A81%20%E5%90%84%E7%A7%8D%E7%BB%93%E6%9E%84%E7%9A%84%E6%80%A7%E8%83%BD%E6%AF%94%E8%BE%83.jpg" />
最后介绍这些功率电感器的推荐产品线。功率电感器的用途，大致可以分为一般用和车载用，这里是根据电感值和尺寸介绍一般用的示例。金属合金绕线型可以采用广泛的电感值和尺寸。铁氧体绕线型的优势是属于高电感产品，铁氧体多层型的优势是属于小型产品。
<img alt="功率电感器（一般用）的产品线" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="ccfbab5f-0c26-4dc1-8025-95114651a024" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-20%20%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%EF%BC%88%E4%B8%80%E8%88%AC%E7%94%A8%EF%BC%89%E7%9A%84%E4%BA%A7%E5%93%81%E7%BA%BF.jpg" />
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图1-20 功率电感器（一般用）的产品线
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1.4 选定功率电感器时的课题

在1.1～1.3章中说明了功率电感器特性的看法、制作工艺特点的差异。可是，设计人员最为关心的并非功率电感器本身的特性，而是在DC-DC转换器中使用时的性能。

图1-21表示同样尺寸和L值的金属合金绕线型与铁氧体多层型的DC-DC转换器的效率测量结果示例。根据图1-21可知，根据元件的类型，效率差别很大，约为3%。

可是，令人遗憾的是无法根据此次说明的技术规格理解这种差异。要想根据实际性能选定商品，必须更加深入理解功率电感器的特性，并根据DC-DC转换器的工作条件进行评估。

因此，将在下一章中说明DC-DC转换器的动作原理，以及DC-DC转换器性能与功率电感器技术规格的关系。此外，关于如何利用村田DC-DC转换器设计辅助工具评估功率电感器在DC-DC转换器上的实际性能，也展示实际案例。
<img alt="金属合金绕线型与铁氧体多层型的效率测量结果" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="92417f18-7ccc-4e8d-bfc4-00dfd5dea627" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1-21%20%E9%87%91%E5%B1%9E%E5%90%88%E9%87%91%E7%BB%95%E7%BA%BF%E5%9E%8B%E4%B8%8E%E9%93%81%E6%B0%A7%E4%BD%93%E5%A4%9A%E5%B1%82%E5%9E%8B%E7%9A%84%E6%95%88%E7%8E%87%E6%B5%8B%E9%87%8F%E7%BB%93%E6%9E%9C.jpg" />
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图1-21 金属合金绕线型与铁氧体多层型的效率测量结果
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