开关电源电感与变压器在线测试技术指南
电感理论基础
作者：Wilson Lee，Tektronix 技术营销经理。
电感器与变压器是开关模式电源 (SMPS) 的骨干。为保障可靠运行，必须在真实工况下通过在线测试验证其性能。
元件数据手册与仿真模型指导设计，但寄生效应、温度漂移、信号变化常导致实际行为偏离。本文梳理基础与实操步骤，利用现代示波器、探头与 B-H 曲线分析，直接在运行中 SMPS 测量电感器与变压器。
法拉第与楞次定律
描述电感器电流与两端电压关系：
重排积分得：
实操中，使用支持差分电压探头、电流探头、X-Y 绘图的示波器记录电压电流波形，即可提取电感值。时域法捕获电源中实际信号形状、幅度、频率下的真实电感。
实体电感器随电流、温度、频率变化，运行中数值会漂移。
环形电感器电感近似公式：
µ 为芯磁导率 (H/m)，N 匝数，r 芯半径 (cm)，A 横截面积 (cm²)。N² 主导，匝数是电感最大杠杆。选用高 µ 芯材可缩小体积降低损耗。
芯材与几何结构决定全工况电感与功率损耗。
电感测量
设计师通常用 LCR 表出厂验证电感。LCR 表以窄带正弦激励，适合快速检查但无法预测在线性能。SMPS 激励通常为高频非正弦脉冲，在线测量必不可少。
在线测量电感：差分电压探头跨绕组、电流探头同绕组。示波器电源分析软件对电压积分除以电流变化，自动去除直流偏移并多周期平均。
测量变压器时避免加载次级。空载测量初级电感得励磁电感；加载次级会因互感改变有效电感。
B-H 曲线测量
SMPS 磁性元件须在磁滞回线线性区工作，避免饱和与过损耗。但负载变化、温度、启动瞬态致使设计时预测困难。
B-H 曲线由众多芯材厂商提供，展示磁化场强 H (A/m) 与磁通密度 B (T) 关系，揭示关键参数：
- 磁导率 (µ) —— B-H 曲线斜率，指示芯将 H 转化为 B 的效率
- 饱和磁通密度 —— 额外 H 不再增加 B 的临界点
- 磁滞特性 —— 回线宽度关联铁损。软磁材料最小化剩磁 (Br) 与矫顽力 (Hc)
不稳定指标：峰值 B 接近饱和极限，或 B-H 回线周期间漂移。
示波器可通过测量绕组两端电压与电流，按以下公式计算 B、H 生成 B-H 图：
B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / l
l 为磁路长度。示波器分析软件自动完成计算。
变压器 B-H 曲线
变压器加载时，部分初级电流馈送次级。为分离励磁电流，以虚拟电感 Lₘ 并联初级建模。Lₘ 表征芯磁性行为，仅承载励磁电流。
损耗分析
磁损耗主导 SMPS 效率预算。铁损含磁滞与涡流损耗，取决于磁通密度与频率；铜损源于绕组电阻。
Steinmetz 经验公式估算铁损：
k、a、b 为芯材厂商提供的材料常数。数据手册常给正弦激励损耗值，但 SMPS 激励非正弦，实测更佳。
示波器可对单绕组电感、多绕组电感、变压器执行此计算。变压器测量时，初级差分探头与初级电流探头 (必要时含次级) 输入软件，输出瓦特级损耗。
综上，电感器与变压器关乎 SMPS 滤波、隔离、储能、定时。现代示波器与电源分析软件的精准在线测量，确保这些元件满足设计规格且在所有工况可靠运行。
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