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          DC/DC選型 —— 了解電感參數的基本含義

          作者:時間:2024-03-20來源:收藏

          消費類應用是現代 需求的主要驅動力。在這類應用中,功率主要被用于電池供電設備、嵌入式計算,以及高功率、高頻率的 。了解的電氣特性對于設計緊湊型、經濟型、高效率、并具備出色散熱性能的系統至關重要。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202403/456607.htm

          是一種相對簡單的元件,它由纏繞在線圈中的絕緣線組成。但當單個元件組合在一起,用來創建具有適當尺寸、重量、溫度、頻率和電壓的電感,同時又能滿足目標應用時,復雜性就會增加。

          選擇電感時,了解電感數據手冊中標明的電氣特性非常重要。本文將提供指導,幫助您為解決方案選擇合適電感,同時闡明如何在設計新型 時預測電感性能。

          電感是什么?

          電感是一種電路元件,它可以在自身磁場中儲存能量。電感通過儲存將電能轉換為磁能,然后向電路提供能量以調節電流。當電流增加,磁場就會增強。圖 1 展示了電感模型。

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          圖1: 電感的電氣模型

          電感是采用絕緣線繞成線圈形成的。線圈可以是不同的形狀和尺寸,也可以使用不同的芯材纏繞。

          電感的大小則取決于匝數、磁芯尺寸和磁導率等多種因素。圖 2 顯示了關鍵的電感參數。

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          圖2: 電感參數

          表 1 顯示了如何計算電感 (L)。

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          表1: 計算電感(L)

          下面,我們將詳細描述常見的電感參數。

          電感參數

          磁導率

          磁導率是材料響應磁通量的能力,也表明了在施加的電磁場中有多少磁通量可以通過電感。表2顯示了磁導率對磁通密度(B)的增強。

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          表2:計算磁通密度 (B)

          從表 2可以看出,磁通量的濃度取決于磁芯的磁導率和尺寸。

          圖 3 顯示了一個沒有磁芯的線圈。

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          圖3: 空心線圈

          空心線圈的磁導率為常數值(μr air),大約等于 1。

          圖 4 顯示了一個帶磁芯的電感。當然,有磁芯時,磁場會增強。

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          圖4: 帶磁芯的電感

          不同磁芯材料的典型磁導率不同。表 3 列出了三種不同芯材的磁導率。

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          表3:磁芯磁導率

          電感值 (L)

          電感將感應的電能存儲為磁能的能力通過電感值來體現。在開關輸入電壓驅動電感的同時,電感要為輸出負載提供恒定的直流電流。

          表 4 顯示了電流和電感電壓之間的關系??梢钥闯?,電感兩端的電壓與電流隨時間的變化成正比。

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          表4:計算電感壓降

          首先,確定設計需要的電感范圍。要注意,電感值在整個工作條件下并不是恒定的, 它會隨著頻率的增加而變化。因此,對具有更高開關頻率的應用,需要特殊考量。電感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的頻率下測試電感,因為大多數 DC/DC 變換器都在此范圍內工作。

          電阻 (R)

          電感的電流電阻會導致散熱,從而影響效率??傘~損中包含了 RDC 損耗和RAC損耗。RDC與頻率無關,始終恒定;RAC 則取決于頻率。表 5 顯示計算RDC 的方法。

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          表5:計算銅線 RDC

          降低銅損的唯一方法是增大導線面積,即改用較粗的導線,或使用扁線。采用扁線可以使繞組窗口被完全利用,從而帶來較低的 RDC。表 6 所示為圓線與扁線的橫截面積比較。

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          表6:圓形與扁線的橫截面積比較

          表 7對圓線和扁線的特性進行了比較。

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          表7:圓線與扁線的特性比較

          使用公式 (1) 可以估算電感的直流銅損 (RDC):

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          (PAC)銅損則取決于 PAC,它是由頻率驅動的鄰近效應和趨膚效應引起的。頻率越高,PAC銅損越高。

          磁芯損耗

          通常情況下,鐵磁材料已可以滿足磁芯電感所需的磁特性。根據磁芯材料的不同,電感的相對磁導率在 50 至 20000 之間。

          當施加磁場時,這種材料的磁疇結構會產生反應;而沒有磁場時,磁矩方向是隨機的。當磁能量變化時,會產生磁芯損耗。磁疇沿磁場方向定向磁矩。隨著磁疇的擴大和縮小,部分磁疇會卡在晶體結構中。一旦卡住的磁疇能夠旋轉,能量就會以熱量的形式消散。

          紋波電流 (?IL)

          紋波電流 (?IL) 指一個開關周期內電流的變化量。

          電感在其峰值電流范圍之外可能無法正常工作。電感的紋波電流通常設計為在 IRMS的 30% 至 40% 范圍之內。

          圖 5 所示為電感電流的波形。

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          圖5: 電感電流波形

          額定電流 (IDC, IRMS)

          額定電流是指使電感溫度升高規定的量所需的直流電流。溫升 (ΔT) 不是一個標準值,但通常在 20K 至 40K 之間。

          額定電流在環境溫度下測量得到。其值通常在電感數據手冊中提供,是最終應用的預期電流值。對于環境溫度較高的應用,設計人員應選擇自熱溫度較高的電感。

          圖 6 體現了溫升與額定電流之間的關系。該曲線可用于確定任意溫升對應的電流值。

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          圖6: 電感的額定電流曲線

          在一個應用中,工作溫度 (TOP) 由環境溫度 (TAMB) 和電感的自熱值 (ΔT) 決定。TOP可以通過公式 (2) 來估算:

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          給定額定電流是估計電感溫升的最佳方法。溫升還受電路設計、PCB 布局、與其他組件的接近程度以及走線尺寸和厚度的影響。電感芯體和繞組中產生的過量交流損耗也可能導致額外的熱量。

          如果需要較低自發熱,則需選用封裝尺寸較大的電感。

          飽和電流 (ISAT)

          飽和電流額定值是指,在標稱電感下降規定的百分比之前,電感可以支持的直流電流。

          每個電感的參考百分比電感下降值都是唯一的。通常,制造商將該值設置在 20% 到 35% 之間,這會使電感的比較變得很困難。但數據手冊通常會提供一條曲線,顯示電感如何隨直流電流變化。利用這條曲線可以衡量整個電感范圍,以及它如何響應直流電流。

          直流飽和電流取決于溫度和電感磁性材料及其磁芯結構。不同的結構和磁芯都會影響ISAT值。

          鐵氧體磁芯是最常見的,其特點是具有硬飽和曲線(見圖 7)。確保電感不會在感量下降點之外工作至關重要;因為超過該點,感量會急劇下降,功能性也會降低。

          合成塑封電感在溫度變化時感量下降穩定,具有軟飽和特性。由于其感量逐漸下降,因此可以為設計人員提供了更大的靈活性和更寬的工作范圍。

          圖 7 顯示了兩條飽和曲線。藍色曲線為典型的合成塑封電感軟飽和示例;紅色曲線為典型的 NiZn/MnZn 鼓芯電感硬飽和示例。

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          圖7: 電感飽和電流曲線

          小感量(或大封裝尺寸)的電感可以處理更高的飽和電流。

          自諧振頻率和阻抗

          電感的自諧振頻率 (fR) 是電感與其自電容諧振的最低頻率。在諧振頻率之下,阻抗處于最大峰值,有效電感為零。圖 8 顯示了電感的電路模型。

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          圖8: 電感電路模型

          電感在諧振頻率 (fR)之前具有電感特性(如圖 9 中的藍色曲線所示),因為頻率增加,阻抗增高。在諧振頻率下,負容抗 (XC) 等于正感抗 (XL) ,其值可通過公式 (3) 估算:

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          超過諧振頻率之后(如圖 9 中的紅色曲線所示),電感則顯現出阻抗減小的電容特性。超過這一點之后,電感也不會按預期工作。

          圖 9 顯示了感量與頻率之間的關系。

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          圖9: 感量和頻率之間的關系

          選擇具有高性價比的緊湊型電感

          了解了電感數據手冊中每個參數的基本含義,就可以很容易地選擇到夠用的電感。但如果了解了每個參數中隱藏的細節,就可以為 DC/DC 變換器應用選擇最理想的電感,同時預測在不同條件下的系統性能。

          結論

          市場上針對不同應用的電感種類花樣繁多,選擇一款最適合的電感不是一件容易的事。例如,感值大的電感可降低 DC 損耗并提高效率,但它們的物理尺寸更大,并且溫度更高。沒有一款電感是萬能的,了解每個電感的參數以及不同參數之間的關系非常重要,它可以幫助設計人員確定一款電感是否適合特定的 DC/DC 應用。



          關鍵詞: DC/DC 電感 變換器

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