【導(dǎo)讀】消費(fèi)類應(yīng)用是現(xiàn)代 DC/DC 變換器需求的主要驅(qū)動(dòng)力。 在這類應(yīng)用中,功率電感主要被用于電池供電設(shè)備、嵌入式計(jì)算,以及高功率、高頻率的 DC/DC 變換器。了解電感的電氣特性對(duì)于設(shè)計(jì)緊湊型、經(jīng)濟(jì)型、高效率、并具備出色散熱性能的系統(tǒng)至關(guān)重要。
電感是一種相對(duì)簡單的元件,它由纏繞在線圈中的絕緣線組成。但當(dāng)單個(gè)元件組合在一起,用來創(chuàng)建具有適當(dāng)尺寸、重量、溫度、頻率和電壓的電感,同時(shí)又能滿足目標(biāo)應(yīng)用時(shí),復(fù)雜性就會(huì)增加。
選擇電感時(shí),了解電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中標(biāo)明的電氣特性非常重要。 本文將提供指導(dǎo),幫助您為解決方案選擇最佳電感,同時(shí)闡明如何在設(shè)計(jì)新型 DC/DC 變換器時(shí)預(yù)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(chǔ)存能量。電感通過儲(chǔ)存將電能轉(zhuǎn)換為磁能,然后向電路提供能量以調(diào)節(jié)電流。當(dāng)電流增加,磁場就會(huì)增強(qiáng)。圖 1 展示了電感模型。
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(shù)、磁芯尺寸和磁導(dǎo)率等多種因素。圖 2 顯示了關(guān)鍵的電感參數(shù)。
圖2: 電感參數(shù)
表 1 顯示了如何計(jì)算電感 (L)。
表1: 計(jì)算電感(L)
下面,我們將詳細(xì)描述常見的電感參數(shù)。
磁導(dǎo)率
磁導(dǎo)率是材料響應(yīng)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(dǎo)率對(duì)磁通密度(B)的增強(qiáng)。
表 2:計(jì)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(dǎo)率和尺寸。
圖 3 顯示了一個(gè)沒有磁芯的線圈。
圖3: 空心線圈
空心線圈的磁導(dǎo)率為常數(shù)值(μr air),大約等于 1。
圖 4 顯示了一個(gè)帶磁芯的電感。當(dāng)然,有磁芯時(shí),磁場會(huì)增強(qiáng)。
圖4: 帶磁芯的電感
不同磁芯材料的典型磁導(dǎo)率不同。 表 3 列出了三種不同芯材的磁導(dǎo)率。
表 3:磁芯磁導(dǎo)率
電感值 (L)
電感將感應(yīng)的電能存儲(chǔ)為磁能的能力通過電感值來體現(xiàn)。在開關(guān)輸入電壓驅(qū)動(dòng)電感的同時(shí),電感要為輸出負(fù)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(guān)系。 可以看出,電感兩端的電壓與電流隨時(shí)間的變化成正比。
表 4:計(jì)算電感壓降
首先,確定設(shè)計(jì)需要的電感范圍。要注意,電感值在整個(gè)工作條件下并不是恒定的, 它會(huì)隨著頻率的增加而變化。因此,對(duì)具有更高開關(guān)頻率的應(yīng)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?yàn)榇蠖鄶?shù) DC/DC 變換器都在此范圍內(nèi)工作。
電阻 (R)
電感的電流電阻會(huì)導(dǎo)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(guān),始終恒定;RAC 則取決于頻率。表 5 顯示計(jì)算 RDC的方法。
表 5:計(jì)算銅線 RDC
降低銅損的唯一方法是增大導(dǎo)線面積,即改用較粗的導(dǎo)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。
表 6:圓形與扁線的橫截面積比較
表 7對(duì)圓線和扁線的特性進(jìn)行了比較。
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 (PDC):
(PAC)銅損則取決于 RAC,它是由頻率驅(qū)動(dòng)的鄰近效應(yīng)和趨膚效應(yīng)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(jù)磁芯材料的不同,電感的相對(duì)磁導(dǎo)率在 50 至 20000 之間。
當(dāng)施加磁場時(shí),這種材料的磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生反應(yīng); 而沒有磁場時(shí),磁矩方向是隨機(jī)的。當(dāng)磁能量變化時(shí),會(huì)產(chǎn)生磁芯損耗。磁疇沿磁場方向定向磁矩。隨著磁疇的擴(kuò)大和縮小,部分磁疇會(huì)卡在晶體結(jié)構(gòu)中。一旦卡住的磁疇能夠旋轉(zhuǎn),能量就會(huì)以熱量的形式消散。
紋波電流 (?IL)
紋波電流 (?IL) 指一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)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(shè)計(jì)為在 IRMS的 30% 至 40% 范圍之內(nèi)。
圖 5 所示為電感電流的波形。
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(guī)定的量所需的直流電流。溫升 (ΔT) 不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值,但通常在 20K 至 40K 之間。
額定電流在環(huán)境溫度下測量得到。其值通常在電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中提供,是最終應(yīng)用的預(yù)期電流值。對(duì)于環(huán)境溫度較高的應(yīng)用,設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇自熱溫度較高的電感。
圖 6 體現(xiàn)了溫升與額定電流之間的關(guān)系。該曲線可用于確定任意溫升對(duì)應(yīng)的電流值。
圖6: 電感的額定電流曲線
在一個(gè)應(yīng)用中,工作溫度 (TOP) 由環(huán)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:
給定額定電流是估計(jì)電感溫升的最佳方法。溫升還受電路設(shè)計(jì)、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(chǎn)生的過量交流損耗也可能導(dǎo)致額外的熱量。
如果需要較低自發(fā)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(biāo)稱電感下降規(guī)定的百分比之前,電感可以支持的直流電流。
每個(gè)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(shè)置在 20% 到 35% 之間,這會(huì)使電感的比較變得很困難。但數(shù)據(jù)手冊(cè)通常會(huì)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(gè)電感范圍,以及它如何響應(yīng)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(jié)構(gòu)。不同的結(jié)構(gòu)和磁芯都會(huì)影響ISAT值。
鐵氧體磁芯是最常見的,其特點(diǎn)是具有硬飽和曲線(見圖 7)。確保電感不會(huì)在感量下降點(diǎn)之外工作至關(guān)重要;因?yàn)槌^該點(diǎn),感量會(huì)急劇下降,功能性也會(huì)降低。
合成塑封電感在溫度變化時(shí)感量下降穩(wěn)定,具有軟飽和特性。由于其感量逐漸下降,因此可以為設(shè)計(jì)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(lán)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。
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。
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(lán)色曲線所示),因?yàn)轭l率增加,阻抗增高。在諧振頻率下,負(fù)容抗 (XC) 等于正感抗 (XL), ,其值可通過公式 (3) 估算:
超過諧振頻率之后(如圖 9 中的紅色曲線所示),電感則顯現(xiàn)出阻抗減小的電容特性。超過這一點(diǎn)之后,電感也不會(huì)按預(yù)期工作。
圖 9 顯示了感量與頻率之間的關(guān)系。
圖9: 感量和頻率之間的關(guān)系
選擇具有高性價(jià)比的緊湊型電感
了解了電感數(shù)據(jù)手冊(cè)中每個(gè)參數(shù)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(gè)參數(shù)中隱藏的細(xì)節(jié),就可以為 DC/DC變換器應(yīng)用選擇最理想的電感,同時(shí)預(yù)測在不同條件下的系統(tǒng)性能。
MPS 可以提供各種功率電感,適用于電源到電源變換器的各種應(yīng)用。尤其是 MPL-SE 半屏蔽式電感系列,其外部使用電磁環(huán)氧樹脂材料,具有更好的導(dǎo)磁特性。
一次成型塑封電感系列則提供軟飽和功能,在高工作溫度下具有更穩(wěn)定的行為。這些一體成型的電感具有低直流和交流電阻,可以處理大電流。而且,塑封結(jié)構(gòu)還降低了交流電和脈沖波頻率產(chǎn)生的可聞噪聲。我們可以根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)來選擇最理想的電感:
● 當(dāng)高度受限時(shí),選擇薄型 MPL-AT 塑封電感系列
● 當(dāng)應(yīng)用需要大電流能力時(shí),選擇 MPL-AY 塑封電感系列
● MPL-AL 塑封電感系列 則更適用于高效率應(yīng)用
MPS 的電感和 DC/DC 電源變換器產(chǎn)品將為您的設(shè)計(jì)提供簡單而完善的電源解決方案。
結(jié)論
市場上針對(duì)不同應(yīng)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(gè)電感的參數(shù)以及不同參數(shù)之間的關(guān)系非常重要,它可以幫助設(shè)計(jì)人員確定一款電感是否適合特定的 DC/DC 應(yīng)用。MPS 的 半屏蔽式電感 和 一體成型電感選型工具可以幫助您找到最理想的電感。
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