DC-DC 电源调到最后,经常会遇到这种情况:负载电流比预期大了一截,原来那颗一体成型电感温升偏高,板上高度又不允许换更高的型号。最省事的念头就是在旁边再贴一颗同型号的电感,两颗并联,电流各扛一半,温升自然就下来了。
这个思路只对了一半。两颗电感确实可以并联,但并联后电感量会减半,纹波电流会变大;两颗电感的电流也不会自动平分,谁多扛由 DCR 公差和 PCB 走线电阻决定。尤其是低电感量、低 DCR 的档位,铜皮多走一厘米,就可能让一颗电感多扛一倍的电流。本文结合沃虎一体成型电感里 WHYT 系列的选型表,讲清楚什么时候能并、怎么并、什么时候应该直接换大一号。
#一、先说结论:能并,但电感量减半,电流也不会平分
两颗电感并联后,有三件事会同时发生:
第一,等效电感量变小。两颗电感量相同时,并联后等效电感量是单颗的一半;两颗不同时,按 L1×L2/(L1+L2) 计算。电感量变小,开关电源的总纹波电流会变大。
第二,直流电流按电阻分配。稳态下两条支路两端电压相同,直流电流和各支路的总电阻成反比。这个总电阻包括电感 DCR,也包括焊盘、铜皮和过孔的电阻。哪条支路电阻小,哪条就多扛电流。
第三,纹波电流按各自的电感量走。每颗电感两端的电压一样,纹波大小只看它自己的电感量,电感量偏小的那颗纹波更大,峰值电流也更高,会先接近 ISAT。
所以“两颗并联,电流上限翻倍”只在理想情况下成立。实际设计要按不均流的程度给每颗打折,再和“换一颗大一号”的方案比较。
#二、电感量减半:总纹波翻倍,要保持纹波就得用两颗 2 倍电感量
以一个常见的降压电路为例:输入 12V,输出 3.3V,开关频率 500kHz,原设计用一颗 2.2µH 电感。纹波电流 ΔI = (Vin − Vout) × D / (L × f),占空比 D ≈ 3.3/12 = 0.275,算下来单颗 2.2µH 的纹波约 2.2A。
如果在旁边再并一颗同样的 2.2µH,每颗电感的纹波仍然约 2.2A,因为每颗两端的电压没变;但两颗的纹波同相叠加,流进输出电容的总纹波变成约 4.4A。输出电容不变时,输出电压纹波也接近翻倍。控制器的峰值限流看到的是总电流,峰值升高后,限流点也会更早触发。
要让总纹波回到原来的水平,就要选两颗约 2 倍电感量的电感(例如两颗 4.7µH)。问题在于,同一个尺寸系列里,电感量越大,绕组匝数越多,DCR 一般越大、IRMS 越小。沃虎官网选型表里每个系列的 DCR 和 IRMS 范围,两端就是这个规律:最低电感量档 DCR 最小、IRMS 最大,最高电感量档相反。所以“两颗 4.7µH 并联”的总电流能力,不一定比“一颗 2.2µH”强多少,要拿规格书里两个电感量档的实际 DCR 和 IRMS 来算。
#三、直流按电阻分:DCR 公差决定谁多扛
同一型号的电感,DCR 也有公差,规格书一般给出典型值和最大值。两颗来自同一批次的电感,DCR 也不会完全一样。下面按一个例子算一下差多少:
假设两颗电感的支路总电阻分别是 10mΩ 和 12mΩ(相差 20%,包含 DCR 公差和走线差异),总输出电流 12A。电流和电阻成反比,10mΩ 那颗分到 12 × 12/(10+12) ≈ 6.5A,12mΩ 那颗分到约 5.5A。按 I²R 算损耗,前者约 0.43W,后者约 0.36W。
这个例子说明,DCR 差 20% 时,电流偏差大约 ±9%。设计时如果按“每颗扛一半”去对 IRMS,多扛的那颗就会超出预期温升。比较稳妥的做法是:先按两颗 DCR 最不利的组合算出最大一路的电流,再拿这个电流去对单颗的 IRMS 和 ISAT。
好消息是,铜的电阻随温度升高而增大(约 0.39%/°C)。多扛电流的那颗更热,DCR 也更大,会把一部分电流推回另一颗,所以直流分配有一定的自我平衡。但这种平衡是靠温差换来的,热的那颗始终更热,不能把它当成均流手段。
#四、反直觉的一点:低感量档,PCB 铜皮电阻比电感 DCR 还大
很多人只盯着电感 DCR 的公差,却忽略了走线。按 1oz(35µm)铜厚计算,铜皮的方块电阻约 0.5mΩ/□,也就是一段长宽相等的铜皮约 0.5mΩ。一段宽 5mm、长 10mm 的铜皮是 2 个方块,约 1mΩ。
再看沃虎选型表:WHYT1040 系列的 DCR 范围是 0.65–340mΩ,WHYT1250 系列是 0.7–130mΩ,WHYT1050 系列是 0.8–290mΩ。低电感量档的 DCR 已经在 1mΩ 以下,和一段普通铜皮的电阻是同一个量级。
举个例子:两颗 DCR 都是 1mΩ 的电感并联,其中一颗的输出侧铜皮多绕了 10mm(约多 1mΩ)。两条支路的电阻变成 1mΩ 和 2mΩ,电流按 2∶1 分配。总电流 30A 时,一颗扛 20A,另一颗只扛 10A。这时电感本身的 DCR 公差已经不重要了,电流分配几乎完全由布局决定。
所以电感量越低、DCR 越小,并联越难均流。大电流、低电感量的场合(例如 1µH 以下、几十安培),两颗电感直接并在同一个开关节点上,基本靠不住;电感量较大、DCR 在十几毫欧以上的场合,走线差异的影响才会小下来。
#五、饱和不会平摊:ISAT 先到的那颗先塌
ISAT 是电感量下降到规定比例时对应的电流,下降多少算饱和,以规格书的定义为准。并联时,每颗电感的峰值电流 = 自己分到的直流电流 + 自己纹波的一半。
最坏的情况是两种偏差落在同一颗上:它的支路电阻偏小,多分了直流;它的电感量又偏低,纹波更大。这颗电感的峰值电流会明显高于另一颗。一旦它先接近 ISAT,电感量下降,纹波进一步变大,峰值电流继续升高。
一体成型电感用的是金属粉末磁芯,饱和过程比较平缓,不会像铁氧体那样一下子塌掉,这是它的优点。但平缓不等于没有影响:电感量下降会让纹波和损耗都上升,温升也跟着上去。核对 ISAT 时,要用最大一路的直流电流加上最大一路的纹波,在最高工作温度下核对,不能用总电流除以 2。
#六、两颗小的并联,还是一颗大的?用沃虎系列表比一比
高度受限时,更好的办法往往是同一高度下换更大的占板尺寸。沃虎 WHYT 系列按“长宽 + 高度”分档,同一高度有几种占板面积可选。下表摘自官网选型表,占板面积按本体长×宽计算,不含焊盘外延和间距。
从表里能看出几点:
第一,两颗 7.0×6.6mm 并联,本体面积约 92mm²,加上两颗之间的间距和对称走线,实际占板和一颗 11.5×10mm(115mm²)相差不大。
第二,同一高度下,大尺寸系列的 DCR 下限更低、IRMS 上限更高。例如 3.8mm 高度,WHYT0640 的 IRMS 上限是 17A,WHYT1040 是 45A。
第三,表里的范围上限都出现在最低电感量档,只能用来初筛。真正比较时,要按你需要的电感量,去规格书里查两个方案在这个电感量下的 DCR、IRMS 和 ISAT,再按第三节的方法给并联方案打上不均流的折扣。
一颗大电感只有一条电流路径,不存在均流问题,焊点也少一半,是大多数情况下更稳妥的选择。
#七、真正需要分担电流时:改成多相 Buck,每相一颗电感
如果电流大到一颗电感也扛不住,正确的做法不是把两颗电感并在同一个开关节点上,而是改用多相 Buck:每一相有自己的开关管和自己的电感,控制器逐相检测电流、主动调平。这样每颗电感的电流是被控制器管住的,不再依赖 DCR 和走线的偶然匹配。
多相交错工作时,各相纹波还能部分抵消,输出电容上的总纹波比单相小。每相电感要用同一型号、同一电感量,布局尽量对称。
相数多、空间紧的场合,还可以用耦合电感,把两相或多相绕在同一个磁芯上。沃虎组合电感有 WHPBU-100705N、WHPBU-100710N、WHPBU-131308N、WHPBU-150705N 四个系列,具体怎么选可以看官网多相 Buck 耦合电感怎么选一文。
#八、非并不可时:布局和验证这样做
有些改版项目确实只能在原来的单相电路上加一颗电感应急。这时至少要做到下面几点:
布局:两条支路做成镜像
开关节点(SW)的铜皮从中间对称地分成两路,分别接到两颗电感;两颗电感的输出端汇合到同一点,再接到输出电容。两条支路的铜皮长度、宽度、过孔数量要一致,电感的摆放方向也要一致。电流检测电阻不要只放在其中一条支路上。两颗电感之间留出散热间距,不要一颗贴着芯片、一颗在板边。
选料:同型号、同批次
两颗电感用同一型号、同一电感量,最好来自同一盘料。不要把不同电感量或不同系列的电感混着并联,它们的 DCR 和饱和特性都不一样,电流分配更难预测。
验证:测温差,测支路电流
打样后,用四线法毫欧表分别测两颗电感的 DCR,并记录下来。满载时用热电偶或热像仪同时测两颗电感的温度,两颗温差明显时,说明电流分配偏了。需要更准确的数据时,可以在样板上给每条支路串一小段已知电阻的铜皮做开尔文取样,测压降换算电流;或者临时把一颗电感抬起一个焊盘、加一段导线,用电流探头分别测。最后在最高环境温度下复测一次。
一体成型电感的基本布局要求(远离敏感走线、开关节点铜皮面积控制等),可以参考官网交换机和路由器板上一体成型电感的选型与布局一文;如果并联后出现轻载啸叫,可以参考一体成型电感啸叫怎么解决。
#九、四步判断法与打样核对清单
第一步,先算总纹波:并联后等效电感量减半,总纹波翻倍;要保持纹波,就得选两颗约 2 倍电感量的电感,再查这个电感量档的 DCR 和 IRMS。
第二步,算最大一路的电流:按两颗 DCR 和走线电阻最不利的组合,算出多扛的那一路的直流电流,加上它的纹波,分别对 IRMS 和 ISAT。
第三步,和“一颗大的”比:在同一高度下,查沃虎选型表里更大占板尺寸的系列,按同一电感量对比 DCR、IRMS、ISAT 和实际占板面积。
第四步,电流特别大就改多相:低电感量、几十安培的场合,改用多相 Buck 或耦合电感,不要在同一个开关节点上硬并。
#十、常见问题 FAQ
两颗同型号一体成型电感并联,电流上限能翻倍吗?
不能直接翻倍。两颗的 DCR 和走线电阻不可能完全一样,多扛电流的那颗决定上限。按第三节的方法算出最不利情况下最大一路的电流,再对 IRMS 和 ISAT;低电感量、低 DCR 的档位,走线差异的影响更大。
两颗电感贴得很近,会不会互相耦合,影响并联后的电感量?
一体成型电感的线圈包在金属粉末磁芯里,磁路比较封闭,相邻放置时的互感一般很小,可以按普通并联估算。贴得特别近或者旁边有大面积铜皮时,以实测电感量和纹波为准。
能不能拿一颗 2.2µH 和一颗 4.7µH 并联?
不建议。两颗电感量不同,纹波差一倍多;DCR 也不同,直流分配更偏。等效电感量约 1.5µH,既不是原来的值,也很难预测每颗的峰值电流。
高度不够、电感量不够,可以两颗串联吗?
可以。串联时电感量相加,电流不变,DCR 也相加,适合需要更大电感量、但单颗电感量档不够的场合。串联不存在均流问题,但总 DCR 变大,要核对损耗和温升。
并联后温升确实降下来了,还需要担心什么?
要再看三件事:输出纹波有没有变大、控制器峰值限流有没有余量、两颗的温差大不大。只看到“平均温升降了”还不够,要确认最热的那颗在最高环境温度下仍有余量。
多相 Buck 每相的电感要不要完全一样?
要用同一型号、同一电感量。多相控制器会逐相调平电流,但电感量差太多时,各相纹波不一致,会影响纹波抵消效果和瞬态响应。布局也要尽量对称。
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