你知道电感的5大损耗吗？

作者：Katter

在设计DC-DC电路时，经常会考虑它的效率，90%还是在80%的效率对于一个消费电子设备的续航来说，存在非常大的区别。

有时候在看某芯片的规格书，器件标称的效率能达到92%。但是自己按照同样的输入、输出电压、负载电流来设计电路，然后测试效率，为什么测试的结果只有85%，87%，就是达不到90%以上呢？

实际上DC-DC的效率测试，不仅仅和芯片有关，与我们的测试方法，电感和电容的选择，芯片的工作模式也有关系。

今天这篇文章我们来聊聊电感的5大损耗，关于测试方法，芯片工作模式，在后续的文章中会有分享。本篇文章的框架如下：

1. 趋肤效应

在分析电感的损耗之前需要了解两个高频的效应——趋肤效应，邻近效应。

趋肤效应：交变电流通过导线时，电流在导线横截面上的分布是不均匀的，导体表面的电流密度大于中心的密度，且交变电流的频率越高，这种趋势越明显，该现象称为趋肤效应(skin effiect)，趋肤效应也称集肤效应。

如果流向导体的电流的频率升高，电流就会只流过导体的表面，表面部分的电流密度增大，电阻值增加。我们将这种效应叫做趋肤效应，也叫做表皮效应。

产生趋肤效应的本质原因是电流和磁场的相关关系，用下面的图来表示：

对一根流过电流为I的导线，在导线的垂直平面形成交变磁场，交变磁场在导体内部产生感应电动势，感应电动势在导体内部形成涡流电流，涡流在导体内部与电流的变化趋势相反，阻碍电流的变化，涡流的变化在导体表面与电流的变化趋势相同。

在导体内部，等效电阻变大，而导体表面等效电阻变小，因此电流更趋向于在导体表面流动，但相比电流在整个截面积为S的导线上流动，在表面流动意味着导线的电阻增大了。

2. 邻近效应

邻近效应：多根导线邻近时，每个绕组形成的磁场感应涡流，高频时会集中于导体内的电流邻近的导线相邻接的狭小区域而流过，邻近部分的电流密度增大，电阻值增加。我们将这种效应叫做邻近效应。

如下图所示，两个同方向的导线流通相同方向的电流，在两个导线相邻的位置电流的大小为电流I减去涡流，而在远离的一边，电流为I加上涡流。

上面的两相邻导体电流同相流动时电流的分布，如果两个导体的电流是反向的流动，导体的之间线缆的流动如下所示：

当回流导体靠近时，两根导线的场向量将相加。在两导体相邻之间，磁场方向相同而加强；两导线之外侧，磁场相反而抵销，磁场很弱，或为零。在导体内部，由两导体外侧向内逐渐加强，到达导体的内表面时磁场最强。

3. 铁损 铜损

在电感中主要有4个损耗，铜损，铁损，涡流损耗，磁滞损耗。

铜损：电流流向导线时的电阻成分引起的损耗称为铜损。

对于一个电感来说，本身就只有两部分，线圈和磁芯，其中线圈为铜损，磁芯为铁损。磁束通过磁芯时磁芯内产生的损耗(磁滞损耗和涡流损耗)称为铁损。因此，铁损都是有磁芯产生的。

4. 涡流损耗

涡流损耗：因电磁感应而变化的磁场会在导体的磁芯中产生涡状的电流。产生此电流的能量会因磁芯材料的电阻而被转换成热并成为损耗。我们将这种损耗叫做涡流损耗。

5. 磁滞损耗

磁滞损耗：如果是磁芯内的磁场变化或者反转，就会伴随磁滞（磁芯材料的BH图中所示的磁滞回线）而返回原先的状态。为了此磁滞的运动而消耗的能量会作为热损耗掉。我们将这种损耗叫做磁滞损耗，磁滞损耗与磁滞回线的面积成正比。

根据前面的分析，磁芯在磁场中会被磁化，磁化的过程会使内部的磁畴发现方向的偏转，在偏转的时候，与外磁场方向相差不大的磁畴发生了‘弹性’转动，这就是说当外磁场去掉时，磁畴仍能恢复原来的方向；而还有一部分磁畴要克服磁畴壁之间存在摩擦，发生刚性转动，即当外磁场去除时，磁畴仍保持磁化方向。

因此磁化时，送到磁场的能量包含两部分：前者转为势能，即去掉外磁化电流时，磁场能量可以返回电路；而后者变为克服摩擦使磁芯发热消耗掉，这就是磁滞损耗。根基磁滞曲线可知，当磁滞曲线的面积越大时，需要克服摩擦摩擦发生刚性转动需要的能量越多。