作者：Katter

在設計DC-DC電路時，經常會考慮它的效率，90%還是在80%的效率對于一個消費電子設備的續航來說，存在非常大的區別。

有時候在看某芯片的規格書，器件標稱的效率能達到92%。但是自己按照同樣的輸入、輸出電壓、負載電流來設計電路，然后測試效率，為什么測試的結果只有85%，87%，就是達不到90%以上呢？

實際上DC-DC的效率測試，不僅僅和芯片有關，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系。

今天這篇文章我們來聊聊電感的5大損耗，關于測試方法，芯片工作模式，在后續的文章中會有分享。本篇文章的框架如下：

1. 趨膚效應

在分析電感的損耗之前需要了解兩個高頻的效應——趨膚效應，鄰近效應。

趨膚效應：交變電流通過導線時，電流在導線橫截面上的分布是不均勻的，導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，該現象稱為趨膚效應(skin effiect)，趨膚效應也稱集膚效應。

如果流向導體的電流的頻率升高，電流就會只流過導體的表面，表面部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應叫做趨膚效應，也叫做表皮效應。

產生趨膚效應的本質原因是電流和磁場的相關關系，用下面的圖來表示：

對一根流過電流為I的導線，在導線的垂直平面形成交變磁場，交變磁場在導體內部產生感應電動勢，感應電動勢在導體內部形成渦流電流，渦流在導體內部與電流的變化趨勢相反，阻礙電流的變化，渦流的變化在導體表面與電流的變化趨勢相同。

在導體內部，等效電阻變大，而導體表面等效電阻變小，因此電流更趨向于在導體表面流動，但相比電流在整個截面積為S的導線上流動，在表面流動意味著導線的電阻增大了。

2. 鄰近效應

鄰近效應：多根導線鄰近時，每個繞組形成的磁場感應渦流，高頻時會集中于導體內的電流鄰近的導線相鄰接的狹小區域而流過，鄰近部分的電流密度增大，電阻值增加。我們將這種效應叫做鄰近效應。

如下圖所示，兩個同方向的導線流通相同方向的電流，在兩個導線相鄰的位置電流的大小為電流I減去渦流，而在遠離的一邊，電流為I加上渦流。

上面的兩相鄰導體電流同相流動時電流的分布，如果兩個導體的電流是反向的流動，導體的之間線纜的流動如下所示：

當回流導體靠近時，兩根導線的場向量將相加。在兩導體相鄰之間，磁場方向相同而加強；兩導線之外側，磁場相反而抵銷，磁場很弱，或為零。在導體內部，由兩導體外側向內逐漸加強，到達導體的內表面時磁場最強。

3. 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：電流流向導線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產生的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)稱為鐵損。因此，鐵損都是有磁芯產生的。

4. 渦流損耗

渦流損耗：因電磁感應而變化的磁場會在導體的磁芯中產生渦狀的電流。產生此電流的能量會因磁芯材料的電阻而被轉換成熱并成為損耗。我們將這種損耗叫做渦流損耗。

5. 磁滯損耗

磁滯損耗：如果是磁芯內的磁場變化或者反轉，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。為了此磁滯的運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。

根據前面的分析，磁芯在磁場中會被磁化，磁化的過程會使內部的磁疇發現方向的偏轉，在偏轉的時候，與外磁場方向相差不大的磁疇發生了‘彈性’轉動，這就是說當外磁場去掉時，磁疇仍能恢復原來的方向；而還有一部分磁疇要克服磁疇壁之間存在摩擦，發生剛性轉動，即當外磁場去除時，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；而后者變為克服摩擦使磁芯發熱消耗掉，這就是磁滯損耗。根基磁滯曲線可知，當磁滯曲線的面積越大時，需要克服摩擦摩擦發生剛性轉動需要的能量越多。