nyheder

Oversigt

Induktorer er meget vigtige komponenter i at skifte omformere, såsom energilagring og strømfiltre. Der er mange typer induktorer, såsom til forskellige anvendelser (fra lav frekvens til høj frekvens), eller forskellige kernematerialer, der påvirker induktorens egenskaber og så videre. Induktorer, der bruges i switching-konvertere, er højfrekvente magnetiske komponenter. Men på grund af forskellige faktorer såsom materialer, driftsforhold (såsom spænding og strøm) og omgivelsestemperatur, er de præsenterede egenskaber og teorier ret forskellige. Derfor skal der i kredsløbsdesignet, ud over den grundlæggende parameter for induktansværdien, stadig overvejes forholdet mellem induktorens impedans og AC-modstanden og -frekvensen, kernetabet og mætningsstrømkarakteristika osv. Denne artikel vil introducere adskillige vigtige induktorkernematerialer og deres egenskaber og også guide strømingeniører til at vælge kommercielt tilgængelige standardspoler.

Forord

Induktor er en elektromagnetisk induktionskomponent, som er dannet ved at vikle et vist antal spoler (spole) på en spole eller kerne med en isoleret ledning. Denne spole kaldes en induktansspole eller induktor. Ifølge princippet om elektromagnetisk induktion, når spolen og magnetfeltet bevæger sig i forhold til hinanden, eller spolen genererer et vekselmagnetisk felt gennem en vekselstrøm, vil der blive genereret en induceret spænding for at modstå ændringen af ​​det oprindelige magnetfelt, og denne egenskab for at begrænse strømændringen kaldes induktans.

Formlen for induktansværdi er som formel (1), som er proportional med den magnetiske permeabilitet, kvadratet af viklingens vindinger N, og det ækvivalente magnetiske kredsløbs tværsnitsareal Ae, og er omvendt proportional med den ækvivalente magnetiske kredsløbslængde le . Der er mange typer af induktans, hver egnet til forskellige applikationer; induktansen er relateret til formen, størrelsen, viklingsmetoden, antallet af vindinger og typen af ​​mellemmagnetisk materiale.

(1)

Afhængigt af formen af ​​jernkernen inkluderer induktansen toroidal, E-kerne og tromle; med hensyn til jernkernemateriale er der hovedsageligt keramiske kerne og to bløde magnetiske typer. De er ferrit og metallisk pulver. Afhængigt af strukturen eller emballagemetoden er der trådviklet, flerlags og støbt, og trådviklet har ikke-afskærmet og halvdelen af ​​magnetisk lim Afskærmet (halvskærmet) og afskærmet (afskærmet) osv.

Induktoren fungerer som en kortslutning i jævnstrøm og har høj impedans til vekselstrøm. De grundlæggende anvendelser i kredsløb omfatter kvælning, filtrering, tuning og energilagring. Ved anvendelsen af ​​switching-konverteren er induktoren den vigtigste energilagringskomponent og danner et lavpasfilter med udgangskondensatoren for at reducere udgangsspændingsrippelen, så den spiller også en vigtig rolle i filtreringsfunktionen.

Denne artikel vil introducere de forskellige kernematerialer af induktorer og deres egenskaber, såvel som nogle af de elektriske egenskaber ved induktorer, som en vigtig evalueringsreference til valg af induktorer under kredsløbsdesign. I applikationseksemplet vil, hvordan man beregner induktansværdien, og hvordan man vælger en kommercielt tilgængelig standardinduktor blive introduceret gennem praktiske eksempler.

Type kernemateriale

Induktorer, der bruges i switching-konvertere, er højfrekvente magnetiske komponenter. Kernematerialet i midten påvirker induktorens karakteristika mest, såsom impedans og frekvens, induktansværdi og frekvens eller kernemætningskarakteristika. Det følgende vil introducere sammenligningen af ​​flere almindelige jernkernematerialer og deres mætningskarakteristika som en vigtig reference til valg af effektinduktorer:

1. Keramisk kerne

Keramisk kerne er et af de almindelige induktansmaterialer. Det bruges hovedsageligt til at give den understøttende struktur, der bruges ved vikling af spolen. Det kaldes også "luftkerneinduktor". Fordi den anvendte jernkerne er et ikke-magnetisk materiale med en meget lav temperaturkoefficient, er induktansværdien meget stabil i driftstemperaturområdet. Men på grund af det ikke-magnetiske materiale som medium er induktansen meget lav, hvilket ikke er særlig velegnet til anvendelse af effektkonvertere.

2. Ferrit

Ferritkernen, der anvendes i almindelige højfrekvente induktorer, er en ferritforbindelse, der indeholder nikkelzink (NiZn) eller manganzink (MnZn), som er et blødt magnetisk ferromagnetisk materiale med lav koercitivitet. Figur 1 viser hysteresekurven (BH-løkke) for en generel magnetisk kerne. Et magnetisk materiales tvangskraft HC kaldes også tvangskraft, hvilket betyder, at når det magnetiske materiale er blevet magnetiseret til magnetisk mætning, reduceres dets magnetisering (magnetisering) til nul. Den krævede magnetiske feltstyrke på det tidspunkt. Lavere koercivitet betyder lavere modstand mod afmagnetisering og betyder også lavere hysteresetab.

Mangan-zink og nikkel-zink ferritter har relativt høj relativ permeabilitet (μr), henholdsvis omkring 1500-15000 og 100-1000. Deres høje magnetiske permeabilitet gør jernkernen højere i et bestemt volumen. Induktansen. Ulempen er dog, at dens tolerable mætningsstrøm er lav, og når jernkernen er mættet, vil den magnetiske permeabilitet falde kraftigt. Se figur 4 for den faldende tendens til magnetisk permeabilitet af ferrit- og pulverjernkerner, når jernkernen er mættet. Sammenligning. Når det bruges i strøminduktorer, vil der efterlades et luftgab i det magnetiske hovedkredsløb, som kan reducere permeabiliteten, undgå mætning og lagre mere energi; når luftgabet er inkluderet, kan den ækvivalente relative permeabilitet være omkring 20- Mellem 200. Da selve materialets høje resistivitet kan reducere tabet forårsaget af hvirvelstrøm, er tabet lavere ved høje frekvenser, og det er mere velegnet til højfrekvente transformere, EMI-filterspoler og energilagringsspoler til strømomformere. Med hensyn til driftsfrekvens er nikkel-zink ferrit velegnet til brug (>1 MHz), mens mangan-zink ferrit er velegnet til lavere frekvensbånd (<2 MHz).

1

Figur 1. Hysteresekurven for den magnetiske kerne (BR: remanens; BSAT: saturation magnetic flux density)

3. Pulverjernskerne

Pulverjernkerner er også blød-magnetiske ferromagnetiske materialer. De er lavet af jernpulverlegeringer af forskellige materialer eller kun jernpulver. Formlen indeholder ikke-magnetiske materialer med forskellige partikelstørrelser, så mætningskurven er forholdsvis blid. Pulverjernkernen er for det meste ringformet. Figur 2 viser pulverjernkernen og dens tværsnitsbillede.

Almindelige pulveriserede jernkerner omfatter jern-nikkel-molybdænlegering (MPP), sendust (Sendust), jern-nikkellegering (højflux) og jernpulverkerne (jernpulver). På grund af de forskellige komponenter er dens egenskaber og priser også forskellige, hvilket påvirker valget af induktorer. Følgende vil introducere de førnævnte kernetyper og sammenligne deres egenskaber:

A. Jern-nikkel-molybdænlegering (MPP)

Fe-Ni-Mo legering forkortes MPP, som er forkortelsen for molypermalloypulver. Den relative permeabilitet er omkring 14-500, og den mætningsmagnetiske fluxtæthed er omkring 7500 Gauss (Gauss), hvilket er højere end den mætningsmagnetiske fluxtæthed for ferrit (ca. 4000-5000 Gauss). Mange ude. MPP har det mindste jerntab og har den bedste temperaturstabilitet blandt pulverjernkerner. Når den eksterne jævnstrøm når mætningsstrømmen ISAT, falder induktansværdien langsomt uden brat dæmpning. MPP har bedre ydeevne, men højere omkostninger, og bruges normalt som strøminduktor og EMI-filtrering til strømomformere.

B. Sendust

Jern-silicium-aluminiumlegeringens jernkerne er en legeret jernkerne sammensat af jern, silicium og aluminium med en relativ magnetisk permeabilitet på omkring 26 til 125. Jerntabet er mellem jernpulverkernen og MPP og jern-nikkellegering . Mætningsmagnetisk fluxtæthed er højere end MPP, omkring 10500 Gauss. Temperaturstabilitet og mætningsstrømsegenskaber er lidt ringere end MPP og jern-nikkellegering, men bedre end jernpulverkerne og ferritkerne, og de relative omkostninger er billigere end MPP og jern-nikkellegeringer. Det bruges mest i EMI-filtrering, PFC-kredsløb (power factor correction) og strøminduktorer til skiftende strømomformere.

C. Jern-nikkel-legering (højflux)

Jern-nikkel legeringens kerne er lavet af jern og nikkel. Den relative magnetiske permeabilitet er omkring 14-200. Jerntabet og temperaturstabiliteten ligger mellem MPP og jern-silicium-aluminium-legering. Jern-nikkel-legeringskernen har den højeste mætningsmagnetiske fluxtæthed, omkring 15.000 Gauss, og kan modstå højere DC-forspændingsstrømme, og dens DC-forspændingsegenskaber er også bedre. Anvendelsesområde: Aktiv effektfaktorkorrektion, energilagringsinduktans, filterinduktans, højfrekvent transformer af flyback-konverter osv.

D. Jernpulver

Jernpulverkernen er lavet af jernpulverpartikler med høj renhed med meget små partikler, der er isoleret fra hinanden. Fremstillingsprocessen gør, at den har en fordelt luftspalte. Ud over ringformen har de almindelige jernpulverkerneformer også E-type og stemplingstyper. Den relative magnetiske permeabilitet af jernpulverkernen er omkring 10 til 75, og den høje mætningsmagnetiske fluxtæthed er omkring 15000 Gauss. Blandt pulverjernkernerne har jernpulverkernen det højeste jerntab, men de laveste omkostninger.

Figur 3 viser BH-kurverne for PC47-mangan-zinkferrit fremstillet af TDK og pulveriserede jernkerner -52 og -2 fremstillet af MICROMETALS; den relative magnetiske permeabilitet af mangan-zink ferrit er meget højere end for pulveriserede jernkerner og er mættet. Den magnetiske fluxtæthed er også meget forskellig, ferriten er omkring 5000 Gauss og jernpulverkernen er mere end 10000 Gauss.

3

Figur 3. BH-kurve af mangan-zinkferrit og jernpulverkerner af forskellige materialer

Sammenfattende er mætningsegenskaberne for jernkernen forskellige; når mætningsstrømmen er overskredet, vil ferritkernens magnetiske permeabilitet falde kraftigt, mens jernpulverkernen langsomt kan falde. Figur 4 viser de magnetiske permeabilitetsfaldskarakteristika for en pulverjernkerne med samme magnetiske permeabilitet og en ferrit med et luftgab under forskellige magnetiske feltstyrker. Dette forklarer også ferritkernens induktans, fordi permeabiliteten falder kraftigt når kernen er mættet, som det kan ses af ligning (1), det får også induktansen til at falde kraftigt; mens pulverkernen med fordelt luftspalte, den magnetiske permeabilitet. Hastigheden falder langsomt, når jernkernen er mættet, så induktansen falder mere blidt, det vil sige, den har bedre DC bias-egenskaber. Ved anvendelse af strømomformere er denne egenskab meget vigtig; hvis induktorens langsomme mætningskarakteristika ikke er god, stiger induktorstrømmen til mætningsstrømmen, og det pludselige fald i induktansen vil få strømspændingen af ​​koblingskrystallen til at stige kraftigt, hvilket er let at forårsage skade.

4

Figur 4. Magnetiske permeabilitetsfaldskarakteristika for pulverjernkerne og ferritjernkerne med luftgab under forskellig magnetfeltstyrke.

Induktor elektriske egenskaber og pakkestruktur

Når du designer en switching-konverter og vælger en induktor, skal induktansværdien L, impedans Z, AC-modstand ACR og Q-værdi (kvalitetsfaktor), nominel strøm IDC og ISAT samt kernetab (kernetab) og andre vigtige elektriske egenskaber alle komme i betragtning. Derudover vil emballagestrukturen af ​​induktoren påvirke størrelsen af ​​den magnetiske lækage, hvilket igen påvirker EMI. Det følgende vil diskutere de ovennævnte karakteristika separat som overvejelser for valg af induktorer.

1. Induktansværdi (L)

Induktansværdien af ​​en induktor er den vigtigste grundparameter i kredsløbsdesign, men det skal kontrolleres, om induktansværdien er stabil ved driftsfrekvensen. Den nominelle værdi af induktansen måles normalt ved 100 kHz eller 1 MHz uden en ekstern DC-forspænding. Og for at sikre muligheden for masseautomatiseret produktion er induktorens tolerance normalt ±20% (M) og ±30% (N). Figur 5 er induktans-frekvenskarakteristikgrafen for Taiyo Yuden-spolen NR4018T220M målt med Wayne Kerrs LCR-måler. Som vist på figuren er induktansværdikurven relativt flad før 5 MHz, og induktansværdien kan nærmest betragtes som en konstant. I højfrekvensbåndet på grund af resonansen genereret af den parasitære kapacitans og induktans vil induktansværdien stige. Denne resonansfrekvens kaldes selvresonansfrekvensen (SRF), som normalt skal være meget højere end driftsfrekvensen.

5

Figur 5, Taiyo Yuden NR4018T220M induktans-frekvens karakteristisk målediagram

2. Impedans (Z)

Som vist i figur 6 kan impedansdiagrammet også ses ud fra ydelsen af ​​induktansen ved forskellige frekvenser. Induktorens impedans er tilnærmelsesvis proportional med frekvensen (Z=2πfL), så jo højere frekvensen er, vil reaktansen være meget større end AC modstanden, så impedansen opfører sig som en ren induktans (fasen er 90˚). Ved høje frekvenser kan impedansens selvresonansfrekvenspunkt på grund af den parasitiske kapacitanseffekt ses. Efter dette punkt falder impedansen og bliver kapacitiv, og fasen ændres gradvist til -90 ˚.

6

3. Q-værdi og AC-modstand (ACR)

Q-værdi i definitionen af ​​induktans er forholdet mellem reaktans og modstand, det vil sige forholdet mellem den imaginære del og den reelle del af impedansen, som i formel (2).

(2)

Hvor XL er induktorens reaktans, og RL er induktorens AC-modstand.

I lavfrekvensområdet er AC-modstanden større end reaktansen forårsaget af induktansen, så dens Q-værdi er meget lav; efterhånden som frekvensen stiger, bliver reaktansen (ca. 2πfL) større og større, selvom modstanden på grund af hudeffekt (hudeffekt) og nærhedseffekt (nærhedseffekt) Effekten bliver større og større, og Q-værdien stiger stadig med frekvensen ; når man nærmer sig SRF, forskydes den induktive reaktans gradvist af den kapacitive reaktans, og Q-værdien bliver gradvist mindre; når SRF bliver nul, fordi den induktive reaktans og den kapacitive reaktans er fuldstændig den samme Forsvinder. Figur 7 viser forholdet mellem Q-værdi og frekvens af NR4018T220M, og forholdet er i form af en omvendt klokke.

7

Figur 7. Forholdet mellem Q-værdi og frekvens af Taiyo Yuden-induktor NR4018T220M

I applikationsfrekvensbåndet for induktans, jo højere Q-værdi, jo bedre; det betyder, at dens reaktans er meget større end AC-modstanden. Generelt er den bedste Q-værdi over 40, hvilket betyder, at kvaliteten af ​​induktoren er god. Men generelt vil induktansværdien falde, når DC-forspændingen stiger, og Q-værdien vil også falde. Hvis der anvendes flad emaljeret ledning eller flerstrenget emaljeret ledning, kan hudeffekten, det vil sige AC-modstand, reduceres, og induktorens Q-værdi kan også øges.

DC-modstanden DCR betragtes generelt som kobbertrådens DC-modstand, og modstanden kan beregnes i henhold til trådens diameter og længde. De fleste af SMD-spolerne med lav strøm vil dog bruge ultralydssvejsning til at lave kobberpladen af ​​SMD'en ved viklingsterminalen. Men fordi kobbertråden ikke er lang i længden, og modstandsværdien ikke er høj, tegner svejsemodstanden sig ofte for en betydelig del af den samlede jævnstrømsmodstand. Tager man TDK's ledningsviklede SMD-induktor CLF6045NIT-1R5N som eksempel, er den målte DC-modstand 14,6mΩ, og DC-modstanden beregnet ud fra ledningsdiameteren og -længden er 12,1mΩ. Resultaterne viser, at denne svejsemodstand tegner sig for omkring 17 % af den samlede jævnstrømsmodstand.

AC modstand ACR har hudeffekt og nærhedseffekt, hvilket vil få ACR til at stige med frekvensen; i anvendelsen af ​​generel induktans, fordi AC-komponenten er meget lavere end DC-komponenten, er påvirkningen forårsaget af ACR ikke indlysende; men ved let belastning, fordi DC-komponenten er reduceret, kan tabet forårsaget af ACR ikke ignoreres. Hudeffekten betyder, at under AC-forhold er strømfordelingen inde i lederen ujævn og koncentreret på ledningens overflade, hvilket resulterer i en reduktion i det ækvivalente ledningstværsnitsareal, hvilket igen øger ledningens ækvivalente modstand med frekvens. Derudover vil tilstødende ledninger i en ledningsvikling forårsage addition og subtraktion af magnetiske felter på grund af strømmen, således at strømmen koncentreres på overfladen, der støder op til ledningen (eller den fjerneste overflade, afhængig af strømmens retning). ), hvilket også forårsager tilsvarende ledningsaflytning. Fænomenet, at arealet aftager og den tilsvarende modstand stiger, er den såkaldte nærhedseffekt; i induktansapplikationen af ​​en flerlagsvikling er nærhedseffekten endnu mere indlysende.

8

Figur 8 viser forholdet mellem AC-modstand og frekvens af den trådviklede SMD-induktor NR4018T220M. Ved en frekvens på 1kHz er modstanden omkring 360mΩ; ved 100kHz stiger modstanden til 775mΩ; ved 10MHz er modstandsværdien tæt på 160Ω. Ved estimering af kobbertabet skal beregningen tage højde for ACR forårsaget af hud- og nærhedseffekter og ændre den til formel (3).

4. Mætningsstrøm (ISAT)

Mætningsstrøm ISAT er generelt den forspændingsstrøm, der er markeret, når induktansværdien er dæmpet, såsom 10 %, 30 % eller 40 %. For air-gap ferrit, fordi dens mætningsstrømkarakteristik er meget hurtig, er der ikke meget forskel mellem 10% og 40%. Se figur 4. Men hvis det er en jernpulverkerne (såsom en stemplet induktor), er mætningskurven relativt blid, som vist i figur 9, forspændingsstrømmen ved 10 % eller 40 % af induktansdæmpningen er meget forskellige, så mætningsstrømværdien vil blive diskuteret separat for de to typer jernkerner som følger.

For en air-gap ferrit er det rimeligt at bruge ISAT som den øvre grænse for den maksimale induktorstrøm til kredsløbsapplikationer. Men hvis det er en jernpulverkerne, vil der på grund af den langsomme mætningskarakteristik ikke være noget problem, selvom den maksimale strøm af applikationskredsløbet overstiger ISAT. Derfor er denne jernkernekarakteristik bedst egnet til at skifte konverterapplikationer. Under stor belastning, selvom induktansværdien af ​​induktoren er lav, som vist i figur 9, er den nuværende rippelfaktor høj, men den nuværende kondensatorstrømtolerance er høj, så det vil ikke være et problem. Ved let belastning er induktorens induktansværdi større, hvilket er med til at reducere induktorens bølgestrøm og derved reducere jerntabet. Figur 9 sammenligner mætningsstrømkurven for TDK's viklede ferrit SLF7055T1R5N og stemplet jernpulverkerneinduktor SPM6530T1R5M under den samme nominelle induktansværdi.

9

Figur 9. Mætningsstrømkurve for viklet ferrit og udstanset jernpulverkerne under samme nominelle induktansværdi

5. Nominel strøm (IDC)

IDC-værdien er DC-forspændingen, når induktortemperaturen stiger til Tr˚C. Specifikationerne angiver også dens DC-modstandsværdi RDC ved 20˚C. Ifølge temperaturkoefficienten for kobbertråden er omkring 3.930 ppm, når temperaturen på Tr stiger, er dens modstandsværdi RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), og dens strømforbrug er PCU = I2DCxRDC. Dette kobbertab spredes på overfladen af ​​induktoren, og induktorens termiske modstand ΘTH kan beregnes:

(2)

Tabel 2 henviser til databladet for TDK VLS6045EX-serien (6,0×6,0×4,5 mm), og beregner den termiske modstand ved en temperaturstigning på 40˚C. Det er klart, at for induktorer af samme serie og størrelse er den beregnede termiske modstand næsten den samme på grund af det samme overfladevarmeafledningsområde; med andre ord kan den nominelle strøm IDC for forskellige induktorer estimeres. Forskellige serier (pakker) af induktorer har forskellige termiske modstande. Tabel 3 sammenligner den termiske modstand af induktorer i TDK VLS6045EX-serien (halvskærmet) og SPM6530-serien (støbt). Jo større termisk modstand, jo højere temperaturstigning genereres, når induktansen strømmer gennem belastningsstrømmen; ellers jo lavere.

(2)

Tabel 2. Termisk modstand af induktorer i VLS6045EX-serien ved en temperaturstigning på 40˚C

Det kan ses af tabel 3, at selv om størrelsen af ​​induktorerne er ens, er den termiske modstand af de stemplede induktorer lav, det vil sige, at varmeafledningen er bedre.

(3)

Tabel 3. Sammenligning af termisk modstand af forskellige pakkespoler.

6. Kernetab

Kernetab, kaldet jerntab, er hovedsageligt forårsaget af hvirvelstrømstab og hysteresetab. Størrelsen af ​​hvirvelstrømstabet afhænger hovedsageligt af, om kernematerialet er let at "lede"; hvis ledningsevnen er høj, dvs. resistiviteten er lav, er hvirvelstrømstabet højt, og hvis ferrittens resistivitet er høj, er hvirvelstrømstabet relativt lavt. Hvirvelstrømstab er også relateret til frekvens. Jo højere frekvens, jo større tab af hvirvelstrøm. Derfor vil kernematerialet bestemme den korrekte driftsfrekvens for kernen. Generelt kan arbejdsfrekvensen for jernpulverkerne nå 1MHz, og ferritens arbejdsfrekvens kan nå 10MHz. Hvis driftsfrekvensen overstiger denne frekvens, vil hvirvelstrømstabet stige hurtigt, og jernkernetemperaturen vil også stige. Men med den hurtige udvikling af jernkernematerialer bør jernkerner med højere driftsfrekvenser være lige rundt om hjørnet.

Et andet jerntab er hysteresetabet, som er proportionalt med arealet, der er omsluttet af hysteresekurven, som er relateret til svingamplituden af ​​strømmens AC-komponent; jo større AC-sving, jo større hysteresetab.

I det tilsvarende kredsløb af en induktor bruges ofte en modstand forbundet parallelt med induktoren til at udtrykke jerntabet. Når frekvensen er lig med SRF, ophæves den induktive reaktans og kapacitive reaktans, og den ækvivalente reaktans er nul. På dette tidspunkt svarer induktorens impedans til jerntabsmodstanden i serie med viklingsmodstanden, og jerntabsmodstanden er meget større end viklingsmodstanden, så impedansen ved SRF er omtrent lig med jerntabsmodstanden. Tager man en lavspændingsinduktor som eksempel, er dens jerntabsmodstand omkring 20kΩ. Hvis den effektive værdispænding i begge ender af induktoren estimeres til at være 5V, er dens jerntab omkring 1,25mW, hvilket også viser, at jo større jerntabsmodstanden er, jo bedre.

7. Skjoldstruktur

Emballagestrukturen af ​​ferritinduktorer omfatter ikke-afskærmede, semi-afskærmede med magnetisk lim og afskærmede, og der er en betydelig luftspalte i begge. Det er klart, at luftgabet vil have magnetisk lækage, og i værste fald vil det forstyrre de omgivende små signalkredsløb, eller hvis der er et magnetisk materiale i nærheden, vil dets induktans også blive ændret. En anden emballagestruktur er en stemplet jernpulverinduktor. Da der ikke er et mellemrum inde i induktoren, og viklingsstrukturen er solid, er problemet med magnetfeltspredning relativt lille. Figur 10 er brugen af ​​RTO 1004-oscilloskopets FFT-funktion til at måle størrelsen af ​​det lækagemagnetiske felt ved 3 mm over og på siden af ​​den stemplede induktor. Tabel 4 viser sammenligningen af ​​det lækagemagnetiske felt for forskellige pakkestrukturspoler. Det kan ses, at ikke-afskærmede induktorer har den mest alvorlige magnetiske lækage; Stemplede induktorer har den mindste magnetiske lækage, der viser den bedste magnetiske afskærmningseffekt. . Forskellen i størrelsen af ​​det lækagemagnetiske felt af induktorerne i disse to strukturer er omkring 14dB, hvilket er næsten 5 gange.

10

Figur 10. Størrelsen af ​​det lækagemagnetiske felt målt ved 3 mm over og på siden af ​​den stemplede induktor

(4)

Tabel 4. Sammenligning af lækagemagnetfeltet for forskellige pakkestrukturspoler

8. kobling

I nogle applikationer er der nogle gange flere sæt DC-konvertere på printkortet, som normalt er arrangeret ved siden af ​​hinanden, og deres tilsvarende induktorer er også arrangeret ved siden af ​​hinanden. Hvis du bruger en ikke-afskærmet eller en semi-afskærmet type med magnetisk lim Induktorer kan kobles med hinanden for at danne EMI-interferens. Derfor anbefales det, når du placerer induktoren, at markere induktorens polaritet først og forbinde start- og viklingspunktet for det inderste lag af induktoren til konverterens omskifterspænding, såsom VSW af en buck-konverter, som er det bevægelige punkt. Udgangsterminalen er forbundet til udgangskondensatoren, som er det statiske punkt; kobbertrådsviklingen danner derfor en vis grad af elektrisk feltafskærmning. I ledningsarrangementet af multiplekseren hjælper fastsættelse af induktansens polaritet med at fikse størrelsen af ​​den gensidige induktans og undgå nogle uventede EMI-problemer.

Ansøgninger:

Det foregående kapitel diskuterede induktorens kernemateriale, pakkestruktur og vigtige elektriske egenskaber. Dette kapitel vil forklare, hvordan man vælger den passende induktansværdi for buck-konverteren og overvejelserne for at vælge en kommercielt tilgængelig induktor.

Som vist i ligning (5), vil induktorværdien og konverterens omskiftningsfrekvens påvirke induktor-rippelstrømmen (ΔiL). Induktorbølgestrømmen vil strømme gennem udgangskondensatoren og påvirke udgangskondensatorens bølgestrøm. Derfor vil det påvirke valget af udgangskondensator og yderligere påvirke bølgestørrelsen af ​​udgangsspændingen. Desuden vil induktansværdien og udgangskapacitetsværdien også påvirke systemets feedbackdesign og belastningens dynamiske respons. At vælge en større induktansværdi har mindre strømbelastning på kondensatoren og er også gavnligt for at reducere udgangsspændingsrippel og kan lagre mere energi. En større induktansværdi indikerer dog et større volumen, det vil sige en højere pris. Derfor, når du designer konverteren, er designet af induktansværdien meget vigtigt.

(5)

Det kan ses ud fra formel (5), at når afstanden mellem indgangsspændingen og udgangsspændingen er større, vil induktorbølgestrømmen være større, hvilket er den værste tilstand af induktordesignet. Sammen med anden induktiv analyse bør induktansdesignpunktet for step-down-konverteren normalt vælges under betingelserne for maksimal indgangsspænding og fuld belastning.

Når man designer induktansværdien, er det nødvendigt at foretage en afvejning mellem induktor-ripple-strømmen og induktorstørrelsen, og ripple-strømfaktoren (ripple-strømfaktor; γ) er defineret her, som i formel (6).

(6)

Ved at erstatte formel (6) med formel (5), kan induktansværdien udtrykkes som formel (7).

（7）

Ifølge formel (7), når forskellen mellem indgangs- og udgangsspændingen er større, kan γ-værdien vælges større; tværtimod, hvis indgangs- og udgangsspændingen er tættere på, skal γ-værdidesignet være mindre. For at vælge mellem induktor-ripple-strømmen og størrelsen, ifølge den traditionelle designoplevelsesværdi, er γ normalt 0,2 til 0,5. Det følgende tager RT7276 som et eksempel for at illustrere beregningen af ​​induktans og valget af kommercielt tilgængelige induktorer.

Designeksempel: Designet med RT7276 avanceret konstant on-tid (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) synkron ensretter step-down konverter, dens omskiftningsfrekvens er 700 kHz, indgangsspændingen er 4,5V til 18V, og udgangsspændingen er 1,05V . Fuldbelastningsstrømmen er 3A. Som nævnt ovenfor skal induktansværdien designes under betingelserne for den maksimale indgangsspænding på 18V og fuld belastning på 3A, værdien af ​​γ tages som 0,35, og ovenstående værdi erstattes af ligning (7), induktansen værdi er

Brug en induktor med en konventionel nominel induktansværdi på 1,5 µH. Erstat formel (5) for at beregne induktor-rippelstrømmen som følger.

Derfor er spidsstrømmen af ​​induktoren

Og den effektive værdi af induktorstrømmen (IRMS) er

Fordi induktor-ripple-komponenten er lille, er den effektive værdi af induktorstrømmen hovedsageligt dens DC-komponent, og denne effektive værdi bruges som grundlag for valg af induktorens mærkestrøm IDC. Med 80 % derating (derating) design er induktanskravene:

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

Tabel 5 viser de tilgængelige induktorer af forskellige serier af TDK, ens i størrelse, men forskellige i pakkestruktur. Det kan ses af tabellen, at mætningsstrømmen og mærkestrømmen af ​​den stemplede induktor (SPM6530T-1R5M) er store, og den termiske modstand er lille, og varmeafledningen er god. Derudover er kernematerialet i den stemplede induktor ifølge diskussionen i det foregående kapitel jernpulverkerne, så det sammenlignes med ferritkernen i de semi-afskærmede (VLS6045EX-1R5N) og afskærmede (SLF7055T-1R5N) induktorer med magnetisk lim. , Har gode DC bias egenskaber. Figur 11 viser effektivitetssammenligningen af ​​forskellige induktorer anvendt på den RT7276 avancerede konstant-on-time synkron ensretter-trinned-konverter. Resultaterne viser, at effektivitetsforskellen mellem de tre ikke er signifikant. Hvis du overvejer varmeafledning, DC-forspændingskarakteristika og problemer med magnetfeltspredning, anbefales det at bruge SPM6530T-1R5M induktorer.

(5)

Tabel 5. Sammenligning af induktanser af forskellige serier af TDK

11

Figur 11. Sammenligning af konvertereffektivitet med forskellige induktorer

Hvis du vælger den samme pakkestruktur og induktansværdi, men mindre størrelse induktorer, såsom SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), selvom dens størrelse er lille, men DC-modstanden RDC (44,5mΩ) og termisk modstand ΘTH ( 51˚C) /W) Større. For omformere med samme specifikationer er den effektive værdi af strømmen, der tolereres af induktoren, også den samme. Det er klart, at DC-modstanden vil reducere effektiviteten under tung belastning. Derudover betyder en stor termisk modstand dårlig varmeafledning. Derfor, når du vælger en induktor, er det ikke kun nødvendigt at overveje fordelene ved reduceret størrelse, men også at evaluere dens medfølgende mangler.

Som konklusion

Induktans er en af ​​de almindeligt anvendte passive komponenter i switching power converters, som kan bruges til energilagring og filtrering. Men i kredsløbsdesign er det ikke kun induktansværdien, der skal lægges vægt på, men andre parametre, herunder AC-modstand og Q-værdi, strømtolerance, jernkernemætning og pakkestruktur osv., er alle parametre, der skal overvejes ved valg af induktor. . Disse parametre er normalt relateret til kernematerialet, fremstillingsprocessen og størrelsen og omkostningerne. Derfor introducerer denne artikel egenskaberne for forskellige jernkernematerialer, og hvordan man vælger en passende induktans som reference for strømforsyningsdesign.