電感案例：低功耗電源的電感選擇

在對磁芯施加磁場時(對線圈施加電流),方向不同的單元相互之間相關聯(lián)。當足夠強的電流形成外加磁場時,那些靠近線圈的單元所處的磁場更強,會首先形成聯(lián)合(更大的單元)。而此時處在深一層的單元還未受到磁場的影響。聯(lián)合起來的單元與未受到影響的單元之間的單元壁會在磁場的作用下,持續(xù)向磁芯中心移動。如果線圈中的電流不撤銷或翻轉的話,整個磁芯都將會聯(lián)合在一起。整個磁芯的磁針聯(lián)合在一起,我們稱為“飽和”。電感制造商給出的B-H磁滯回線正表示磁芯從被磁化的初始階段到飽和階段的過程。如果將電流減弱,那么單元就會向自由的初始態(tài)轉變,但是有些單元會繼續(xù)保持聯(lián)合的狀態(tài)。這種不完全的轉化就是剩磁(可以在磁滯回線中看出)。這種剩磁現象就會在下一次單元結合時體現為應力,導致磁芯損耗。

每個周期內的磁滯損耗為：

WH=mH×dI

式中積分為磁滯回線中的包羅面積,磁芯從初始電感量到峰值電感量,再回到初始電感量的整個過程。而在開關頻率為F時的能量損耗為：

PH=F×mH×dI

計算這些交流損耗看起來似乎容易。但是在高頻、中等通流密度下,情況將異常復雜。每個電路都存在一些對磁芯損耗有影響的參數,而這些參數一般都很難量化。比如：離散電容、pcb布局、驅動電壓、脈沖寬度、負載狀態(tài)、輸入輸出電壓等。不幸的是,磁芯損耗受這些參數影響很嚴重。

每個磁芯材料都有能導致?lián)p耗的非線性電導率。正是這個電導率,會由于外加磁場而在磁芯內部誘發(fā)會產生損耗“渦電流”。在恒定磁通量下,磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其中指數n會隨磁芯材料以及制造工藝不同而不同。通常的電感制造商會通過磁芯損耗曲線擬合出經驗的近似公式。

電感參數

磁感應強度B在正激開關電路中可以由下式表示：

Bpk=Eavg/(4×A×N×f)

式中Bpk為尖峰交流通流密度(Teslas);Eavg為每半周期平均交流電壓;A為磁芯橫截面積(平方米);N為線圈匝數;f為頻率(赫茲)。

一般來講,磁性材料制造商會評估磁芯的額定電感系數－AL。通過AL可以很容易的計算出電感量。

L=N2AL

其中AL與磁性材料的摻雜度成正比,也與磁芯的橫截面積除以磁路長度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率,單位為瓦特/立方米。其與制造材料與制造工藝息息相關。

磁芯損耗測試設備

測試電感性能的最有效方法就是將被測試電感放置在最終開關電源電路上,然后對此電路的效率進行測量。但是,這種測試方法需要有最終電路,不易采用。現在,有一種相對簡單的測試方法,可以在設計開關電源前對電感的磁芯損耗進行測試(在其設定的開關頻點上)。首先,將磁芯串連放置在低損耗電容介質上(比如鍍銀云母)。然后,用一系列共振模驅動。其中介質的電容值需要與被測電感的開關頻率一致。最后采用網絡分析儀來完成整個測試過程(信號發(fā)生器加上一個射頻伏特計或者功率計也可以完成測試)。測試設備的結構如圖2所示

圖2測試測試剖面圖

在諧振點,低損耗的磁芯可以看成L-C共振回路。此時損耗可以等效為一個純阻元件(包括線圈損耗和磁芯損耗)。在上面的測試設備中,端子A和R都連接著50Ω電阻。此設備的開路(不包括電感)等效為150Ω負載的振蕩器。在網絡分析儀上可以表示為：

20×Log(A/R)=20×Log(50/150)=-9.54dB

在這個測試電路中,諧振電容為2000pF,被測電感大概為2.5mH～2.8mH,測試頻率為1kHz。其中,磁性材料的滲透率是一個與頻率有關的非線性函數,在更高的頻點上,測試結果有可能不同。

磁芯損耗實驗數據

一個相對磁導率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯,外圍纏繞10/44的多芯電線16匝,另一個雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯,外圍纏繞10/44的多芯電線8匝。電感量測試值分別為2.75mHy和2.78mHy。第一個電感雖然是16匝,但是橫截面積是第二個電感的一半。在相同振幅信號的驅動下,這兩個電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω和300Ω。相對的,另一個電感(2.5mHy)采用Micrometals公司的非常低的摻雜材料(羰基T25-6,相對磁導率為8.5)。10/44多芯電線34匝。在同樣的驅動信號下,他的等效損耗電阻為22000Ω。

對于低功耗開關電源的電感選取有許多特殊注意之處。對于低功耗、高效率的開關電源設計,一般的器件資料或者選型表提供的參數是遠遠不夠的。通常的電感都是鐵氧體磁芯(非低損耗材料),必將逐步在低功率、高效率的應用中淘汰。一種相對簡單的電感損耗測試設備可以在設計的頻點測試電感的損耗,對比不同電感的性能。

當設計需要選取低損耗電感時,應選取低摻雜度材料來獲得低的磁場強度參數-B。并選擇低損耗的磁芯或考慮采用多芯電線。并且,最好采用芯片公司推薦的磁性元件,或者向專業(yè)的磁材料專家請教,以便能夠滿足特定的需求。