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DCDC转换器电感如何抉择?看这一文10个选型技巧总结秒懂

2024-01-26 20:21:31 新闻资讯

  我是小七,干货满满。内容仅供参考,图片记得放大,观看。如果有什么错误或者不对,请各位大佬多多指教。

  电感是一种相对简单的元件,它由缠绕在线圈中的绝缘线组成。但当单个元件组合在一起,用来创建具有适当尺寸、重量、温度、频率和电压的电感,同时又能满足目标应用时,复杂性就会增加。

  该文主要是关于:如何明智的选择合适的电感,以及如何在设计新型DC/DC 变换器时预测电感性能。

  电感是一种电路元件,它可以在自身磁场中储存能量。电感通过储存将电能转换为磁能,然后向电路提供能量以调节电流。当电流增加,磁场就会增强。

  电感是采用绝缘线绕成线圈形成的。线圈可以是不同的形状和尺寸,也能够正常的使用不同的芯材缠绕。

  电感的大小则取决于匝数、磁芯尺寸和磁导率等多种因素。下图显示了关键的电感参数。

  磁导率是材料响应磁通量的能力,也表明了在施加的电磁场中有多少磁通量能够最终靠电感。

  从上图能够准确的看出,磁通量的浓度取决于磁芯的磁导率和尺寸。下图显示了一个没有磁芯的线圈。

  空心线圈的磁导率为常数值(µr air),大约等于 1。下图显示了一个带磁芯的电感。当然,有磁芯时,磁场会增强。

  电感将感应的电能存储为磁能的能力通过电感值来体现。在开关输入电压驱动电感的同时,电感要为输出负载提供恒定的直流电流。

  下图显示了电流和电感电压之间的关系。能够准确的看出,电感两端的电压与电流随时间的变化成正比。

  首先,确定设计需要的电感范围。要注意,电感值在整个工作条件下并不是恒定的, 它会随频率的增加而变化。

  因此,对具有更高开关频率的应用,需要特殊考量。电感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的频率下测试电感,因为大多数DC/DC 变换器都在此范围内工作。

  电感的电流电阻会导致散热,从而影响效率。总铜损中包含了 RDC损耗和 RAC 损耗。RDC 与频率无关,始终恒定;RAC 则取决于频率。

  降低铜损的唯一方法是增大导线面积,即改用较粗的导线,或使用扁线。采用扁线可以使绕组窗口被完全利用,从而带来较低的 RDC。

  (PAC)铜损则取决于 PAC,它是由频率驱动的邻近效应和趋肤效应引起的。频率越高,PAC 铜损越高。

  通常情况下,铁磁材料已能够完全满足磁芯电感所需的磁特性。根据磁芯材料的不同,电感的相对磁导率在 50 至 20000 之间。

  当施加磁场时,这样一种材料的磁畴结构会产生反应;而没有磁场时,磁矩方向是随机的。当磁能量变化时,会产生磁芯损耗。磁畴沿磁场方向定向磁矩。随着磁畴的扩大和缩小,部分磁畴会卡在晶体结构中。一旦卡住的磁畴能够旋转,能量就会以热量的形式消散。

  电感在其峰值电流范围之外可能没办法正常工作。电感的纹波电流通常设计为在 IRMS的 30% 至 40% 范围之内。

  额定电流是指使电感温度上升规定的量所需的直流电流。温升 (ΔT) 不是一个标准值,但通常在 20K 至 40K 之间。

  额定电流在环境和温度下测量得到。其值通常在电感数据手册中提供,是最终应用的预期电流值。对于环境和温度较高的应用,设计人员应选择自热温度比较高的电感。

  下图体现了温升与额定电流之间的关系。该曲线可用于确定任意温升对应的电流值。

  在一个应用中,工作时候的温度 (TOP) 由环境和温度 (TAMB) 和电感的自热值 (ΔT)决定。TOP能够最终靠下面公式来估算:

  给定额定电流是估计电感温升的最佳方法。温升还受电路设计、PCB 布局、与其他组件的接近程度以及走线尺寸和厚度的影响。电感芯体和绕组中产生的过量交流损耗也可能会引起额外的热量。

  饱和电流额定值是指在标称电感下降规定的百分比之前,电感能支持的直流电流。

  每个电感的参考百分比电感下降值都是唯一的。通常,制造商将该值设置在20% 到 35%之间,这会使电感的比较变得很困难。但数据手册通常会提供一条曲线,显示电感如何随直流电流变化。利用这条曲线可以衡量整个电感范围,以及它如何响应直流电流。

  直流饱和电流取决于温度和电感磁性材料及其磁芯结构。不同的结构和磁芯都会影响ISAT值。

  铁氧体磁芯是最常见的,其特点是具有硬饱和曲线(如下图)。确保电感不会在感量下降点之外工作至关重要;因为超过该点,感量会急剧下降,功能性也会降低。

  合成塑封电感在气温变化时感量下降稳定,具有软饱和特性。由于其感量逐渐下降,因此能为设计人员提供了更大的灵活性和更宽的工作范围。

  下图显示了两条饱和曲线。蓝色曲线为典型的合成塑封电感软饱和示例;红色曲线为典型的 NiZn/MnZn 鼓芯电感硬饱和示例。

  电感的自谐振频率 (fR) 是电感与其自电容谐振的最低频率。在谐振频率之下,阻抗处于最大峰值,有效电感为零。下图显示了电感的电路模型。

  电感在谐振频率 (fR)之前具有电感特性(如图下图的蓝色曲线所示),因为频率增加,阻抗增高。在谐振频率下,负容抗 (XC) 等于正感抗 (XL),其值可通过下面公式估算:

  超过谐振频率之后(如下图中的红色曲线所示),电感则显现出阻抗减小的电容特性。超过这一点之后,电感也不会按预期工作。

  了解了电感数据手册中每个参数的基本含义,就可以很容易地选择到够用的电感。但如果了解了每个参数中隐藏的细节,就可以为 DC/DC变换器应用选择最理想的电感,同时预测在不同条件下的系统性能。

  市场上针对不一样应用的电感种类花样繁多,选择一款最适合的电感不是一件容易的事。例如,感值大的电感可降低 DC 损耗并提高效率,但它们的物理尺寸更大,并且温度更高。没有一款电感是万能的,了解每个电感的参数以及不同参数之间的关系很重要,它能够在一定程度上帮助设计人员确定一款电感是不是适合特定的 DC/DC 应用。

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