电感在电源储能环节的作用深度剖析

电感如何在电源中“搬能量”？一文讲透它的核心角色

你有没有想过，一个小小的电感，凭什么能在开关电源里稳坐C位？

它不像MOSFET那样“掌权”通断，也不像控制IC那样“发号施令”，但它却是整个能量转换链条中最沉默、最关键的“搬运工”。没有它，哪怕最智能的控制器也无能为力——输出电压会瞬间崩溃。

今天我们就来深挖这个常被低估的元件：电感在电源储能环节到底干了什么？它是怎么一步步把能量从输入端“搬”到输出端的？

我们不堆术语，不抄手册，而是从工程师实战角度出发，结合Buck、Boost等常见拓扑，拆解电感的工作本质，并告诉你选型时真正该关注哪些参数、避开哪些坑。

电感不是“滤波器”，而是“能量中转站”

很多人初学开关电源时，总以为电感的作用就是“滤波”、“平滑电流”。这话没错，但太浅了。

更准确地说：电感是能量的临时仓库。它在一个开关周期内完成两次身份切换——

开关导通时，它是“吸能者”：从输入源吸收电能并转化为磁能储存；
开关关断时，它是“供能者”：将储存的磁能释放给负载，维持输出连续。

这就像快递分拣中心：白天收货入库（储能），晚上发货出库（释能）。整个系统能不能高效运转，关键看这个“中转站”的容量和响应速度。

而实现这一切的基础，正是那条最简单的物理公式：

$$
V_L = L \frac{di}{dt}
$$

别小看这短短一行式子，它决定了所有开关电源的设计逻辑。

能量是怎么存进去又放出来的？

我们以最常见的Buck降压电路为例，走一遍电感的实际工作流程。

当上管导通（Ton阶段）

MOSFET打开，输入电压 $ V_{in} $ 直接加在电感两端，形成正向压差：

$$
V_L = V_{in} - V_{out}
$$

根据 $ V_L = L \cdot di/dt $，电流开始线性上升：

$$
\Delta i = \frac{V_L \cdot T_{on}}{L}
$$

此时电感正在“充电”，磁场不断增强，能量以 $\frac{1}{2}LI^2$ 的形式储存在磁芯中。

注意：此时负载并非完全靠电感供电——输出电容也在放电支撑负载，但电感提供的电流增量才是主动力。

当上管关闭（Toff阶段）

MOSFET切断，输入回路断开。但电感中的电流不能突变，于是它“反手一推”，极性反转，通过续流二极管或下管构成回路，继续向负载供电。

这时电感变成一个临时电源，其电压变为：

$$
V_L = -V_{out}
$$

电流则按指数衰减（实际近似线性），把之前存的能量一点点还给负载。

⚠️ 关键点：只要电感电流不归零，就能持续供能。这就是为什么我们要避免进入深度断续模式（DCM）的原因之一。

两个阶段合起来，就是一个完整的“吸—放”循环。只要控制好占空比，就能调节平均输出电压：

$$
V_{out} = D \cdot V_{in}
$$

而这一切成立的前提，是电感始终遵循一个铁律：

伏秒平衡：电感工作的“宪法级”原则

什么叫伏秒平衡？

简单说就是：一个周期内，电感上的正向伏秒数必须等于负向伏秒数。

否则电流会单向累积，最终导致磁芯饱和、器件烧毁。

用数学表达就是：

$$
V_{on} \cdot T_{on} = |V_{off}| \cdot T_{off}
$$

在Buck电路中代入：

$$
(V_{in} - V_{out}) \cdot D = V_{out} \cdot (1 - D)
$$

化简后正好得到 $ V_{out} = D \cdot V_{in} $ —— 看，电压变换关系居然直接由伏秒平衡推出！

所以你可以这样理解：
PWM控制的本质，其实是通过调节导通时间来动态维持伏秒平衡，从而稳定输出电压。

一旦这个平衡被打破（比如负载突变、电感值太小），系统就会震荡甚至失控。

不同拓扑下，电感的角色有何不同？

虽然都叫“电感”，但在不同电路结构中，它的位置和功能差异很大。

在Buck电路中：输出侧的能量缓冲器

位置：连接开关节点与输出端
主要作用：
平滑输出电流，降低纹波
缓冲负载变化带来的冲击
防止输入噪声传到输出

典型设计要求：电感值适中，关注温升电流 Irms 和 DCR 损耗。

✅ 设计经验：一般设定纹波电流为最大输出电流的20%~40%，太大影响效率，太小则体积成本增加。

在Boost电路中：输入侧的能量预存引擎

位置：串在输入路径前端
工作方式完全不同：
Ton期间：电感接地，电流快速上升，能量全存进电感
Toff期间：电感与输入串联，叠加电压抬升输出

输出电压公式为：

$$
V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D}
$$

可以看出，占空比越接近1，升压能力越强，但也意味着电感要在极短时间内完成大量储能。

❗ 风险提示：若电感值不足或饱和电流不够，在高占空比下极易发生磁饱和，轻则效率下降，重则炸管。

因此Boost电路对电感的要求更为苛刻：
- 必须具备足够高的饱和电流 Isat
- 建议使用带气隙的磁芯（如PQ、EFD型）提升抗饱和能力
- 输入端加π型滤波可进一步抑制EMI

电感选型：不能只看“L=4.7μH”这么简单

很多新手选电感就三步：看封装、查电感值、比价格。结果打样回来发现温升高、啸叫、效率低……

其实真正决定性能的，是以下几个隐藏参数：

参数	说明	如何影响设计
饱和电流 Isat	电感值下降30%时的直流偏置电流	必须 > 最大负载电流，否则会饱和失能
温升电流 Irms	因铜损发热导致温升40°C时的RMS电流	决定长期运行可靠性，尤其大电流场景
DCR（直流电阻）	绕组本身的电阻值	引起 $ I^2R $ 损耗，直接影响效率
SRF（自谐振频率）	匝间电容与电感谐振的频率点	工作频率必须远低于SRF，否则失去感性