124

știri

rezumat

Inductoarele sunt componente foarte importante în convertizoarele de comutare, cum ar fi stocarea energiei și filtrele de putere. Există multe tipuri de inductoare, cum ar fi pentru aplicații diferite (de la frecvență joasă la frecvență înaltă) sau materiale de bază diferite care afectează caracteristicile inductorului și așa mai departe. Inductoarele utilizate la convertizoarele de comutare sunt componente magnetice de înaltă frecvență. Cu toate acestea, datorită diferiților factori, cum ar fi materialele, condițiile de funcționare (cum ar fi tensiunea și curentul) și temperatura ambiantă, caracteristicile și teoriile prezentate sunt destul de diferite. Prin urmare, în proiectarea circuitului, pe lângă parametrul de bază al valorii inductanței, trebuie luată în considerare și relația dintre impedanța inductorului și rezistența și frecvența de curent alternativ, pierderea miezului și caracteristicile curentului de saturație etc. Acest articol va introduce câteva materiale importante pentru nucleul inductorului și caracteristicile acestora și, de asemenea, îi va ghida pe inginerii electrici să aleagă inductori standard disponibili în comerț.

Prefaţă

Inductorul este o componentă de inducție electromagnetică, care se formează prin înfășurarea unui anumit număr de bobine (bobină) pe o bobină sau miez cu un fir izolat. Această bobină se numește bobină de inductanță sau inductor. Conform principiului inducției electromagnetice, când bobina și câmpul magnetic se mișcă unul față de celălalt sau bobina generează un câmp magnetic alternativ printr-un curent alternativ, se va genera o tensiune indusă pentru a rezista schimbării câmpului magnetic original, iar această caracteristică a restricționării schimbării actuale se numește inductanță.

Formula valorii inductanței este ca formula (1), care este proporțională cu permeabilitatea magnetică, pătratul înfășurării se transformă în N și aria secțiunii transversale echivalente a circuitului magnetic Ae și este invers proporțională cu lungimea echivalentă a circuitului magnetic le . Există multe tipuri de inductanță, fiecare potrivită pentru aplicații diferite; inductanța este legată de formă, dimensiune, metoda înfășurării, numărul de ture și tipul de material magnetic intermediar.

图片1

(1)

În funcție de forma miezului de fier, inductanța include toroidal, miez E și tambur; în ceea ce privește materialul miezului de fier, există în principal miez ceramic și două tipuri magnetice moi. Sunt ferită și pulbere metalică. În funcție de structură sau metoda de ambalare, există sârmă înfășurată, multistrat și turnată, iar înfășurarea sârmei are lipit neprotejat și jumătate de lipit magnetic Protejat (semi-protejat) și protejat (protejat) etc.

Inductorul acționează ca un scurtcircuit în curent continuu și prezintă o impedanță ridicată la curentul alternativ. Utilizările de bază în circuite includ sufocarea, filtrarea, reglarea și stocarea energiei. În aplicarea convertorului de comutare, inductorul este cea mai importantă componentă de stocare a energiei și formează un filtru trece-jos cu condensatorul de ieșire pentru a reduce ondularea tensiunii de ieșire, deci joacă, de asemenea, un rol important în funcția de filtrare.

Acest articol va introduce diversele materiale de bază ale inductoarelor și caracteristicile acestora, precum și unele dintre caracteristicile electrice ale inductoarelor, ca o referință importantă de evaluare pentru selectarea inductoarelor în timpul proiectării circuitului. În exemplul de aplicație, cum se calculează valoarea inductanței și cum se alege un inductor standard disponibil comercial va fi introdus prin exemple practice.

Tipul materialului miez

Inductoarele utilizate la convertizoarele de comutare sunt componente magnetice de înaltă frecvență. Materialul central din centru afectează cel mai mult caracteristicile inductorului, cum ar fi impedanța și frecvența, valoarea și frecvența inductanței sau caracteristicile de saturație ale nucleului. Următoarele vor introduce compararea mai multor materiale obișnuite din miez de fier și caracteristicile de saturație ale acestora ca o referință importantă pentru selectarea inductoarelor de putere:

1. Miez ceramic

Miezul ceramic este unul dintre materialele obișnuite de inductanță. Este utilizat în principal pentru a asigura structura de susținere utilizată la înfășurarea bobinei. Se mai numește „inductor de miez de aer”. Deoarece miezul de fier utilizat este un material nemagnetic cu un coeficient de temperatură foarte scăzut, valoarea inductanței este foarte stabilă în intervalul de temperatură de funcționare. Cu toate acestea, datorită materialului nemagnetic ca mediu, inductanța este foarte mică, ceea ce nu este foarte potrivit pentru aplicarea convertoarelor de putere.

2. Ferită

Miezul de ferită utilizat în inductori de înaltă frecvență este un compus de ferită care conține nichel zinc (NiZn) sau zinc mangan (MnZn), care este un material feromagnetic magnetic moale cu coercitivitate scăzută. Figura 1 prezintă curba de histerezis (bucla BH) a unui miez magnetic general. Forța coercitivă HC a unui material magnetic se mai numește și forță coercitivă, ceea ce înseamnă că atunci când materialul magnetic a fost magnetizat la saturație magnetică, magnetizarea acestuia (magnetizarea) este redusă la zero Puterea câmpului magnetic necesar în acel moment. Coercitivitatea mai mică înseamnă rezistență mai mică la demagnetizare și, de asemenea, înseamnă o pierdere mai mică de histerezis.

Feritele de mangan-zinc și nichel-zinc au o permeabilitate relativă relativă (μr), aproximativ 1500-15000 și respectiv 100-1000. Permeabilitatea lor magnetică ridicată face ca miezul de fier să fie mai mare într-un anumit volum. Inductanța. Cu toate acestea, dezavantajul este că curentul său de saturație tolerabil este scăzut și, odată ce miezul de fier este saturat, permeabilitatea magnetică va scădea brusc. Consultați Figura 4 pentru tendința de scădere a permeabilității magnetice a miezurilor de ferită și de pulbere de fier atunci când miezul de fier este saturat. Comparaţie. Atunci când este utilizat în inductoarele de putere, va fi lăsat un spațiu de aer în circuitul magnetic principal, care poate reduce permeabilitatea, evita saturația și stoca mai multă energie; când este inclus golul de aer, permeabilitatea relativă echivalentă poate fi de aproximativ 20- Între 200. Deoarece rezistivitatea ridicată a materialului în sine poate reduce pierderile cauzate de curentul turbionar, pierderea este mai mică la frecvențe înalte și este mai potrivită pentru transformatoare de înaltă frecvență, inductoare de filtru EMI și inductoare de stocare a energiei convertizoarelor de putere. În ceea ce privește frecvența de funcționare, ferita nichel-zinc este adecvată pentru utilizare (> 1 MHz), în timp ce ferita mangan-zinc este potrivită pentru benzile de frecvență mai mici (<2 MHz).

图片2         1

Figura 1. Curba de histerezis a miezului magnetic (BR: remanență; BSAT: densitatea fluxului magnetic de saturație)

3. Miez de fier pulbere

Miezurile de fier pulbere sunt, de asemenea, materiale feromagnetice moi-magnetice. Sunt fabricate din aliaje de pulbere de fier din diferite materiale sau numai pulbere de fier. Formula conține materiale nemagnetice cu dimensiuni diferite ale particulelor, astfel încât curba de saturație este relativ blândă. Miezul de fier pulbere este în mare parte toroidal. Figura 2 prezintă miezul de fier pulbere și vedere în secțiune transversală.

Miezurile obișnuite de fier sub formă de pulbere includ aliajul de fier-nichel-molibden (MPP), sendust (Sendust), aliajul de fier-nichel (flux ridicat) și miezul de pulbere de fier (pulbere de fier). Datorită diferitelor componente, caracteristicile și prețurile sale sunt, de asemenea, diferite, ceea ce afectează alegerea inductoarelor. Următoarele vor introduce tipurile de bază menționate anterior și vor compara caracteristicile acestora:

A. Aliaj fier-nichel-molibden (MPP)

Aliajul Fe-Ni-Mo este prescurtat ca MPP, care este abrevierea pulberii de molipermal. Permeabilitatea relativă este de aproximativ 14-500, iar densitatea fluxului magnetic de saturație este de aproximativ 7500 Gauss (Gauss), care este mai mare decât densitatea fluxului magnetic de saturație a feritei (aproximativ 4000-5000 Gauss). Mulți afară. MPP are cea mai mică pierdere de fier și are cea mai bună stabilitate la temperatură între miezurile de fier pulbere. Când curentul DC extern atinge curentul de saturație ISAT, valoarea inductanței scade încet fără atenuare bruscă. MPP are performanțe mai bune, dar costuri mai mari și este de obicei folosit ca inductor de putere și filtrare EMI pentru convertoarele de putere.

 

B. Sendust

Miezul de fier din aliaj de fier-siliciu-aluminiu este un miez de fier din aliaj compus din fier, siliciu și aluminiu, cu o permeabilitate magnetică relativă de aproximativ 26 până la 125. Pierderea de fier este între miezul de pulbere de fier și MPP și aliajul de fier-nichel . Densitatea fluxului magnetic de saturație este mai mare decât MPP, aproximativ 10500 Gauss. Stabilitatea temperaturii și caracteristicile curentului de saturație sunt puțin inferioare MPP și aliajului de fier-nichel, dar mai bune decât miezul de pulbere de fier și miezul de ferită, iar costul relativ este mai ieftin decât MPP și aliajul de fier-nichel. Este utilizat în cea mai mare parte în circuitele de filtrare EMI, de corectare a factorului de putere (PFC) și în inductoarele de putere ale convertoarelor de putere de comutare.

 

C. Aliaj fier-nichel (flux mare)

Miezul din aliaj de fier-nichel este fabricat din fier și nichel. Permeabilitatea magnetică relativă este de aproximativ 14-200. Pierderea fierului și stabilitatea temperaturii sunt între MPP și aliajul fier-siliciu-aluminiu. Miezul din aliaj de fier-nichel are cea mai mare densitate a fluxului magnetic de saturație, aproximativ 15.000 Gauss, și poate rezista la curenți de polarizare DC mai mari, iar caracteristicile sale de polarizare DC sunt, de asemenea, mai bune. Domeniul de aplicare: Corecția factorului de putere activ, inductanța stocării energiei, inductanța filtrului, transformator de înaltă frecvență al convertorului flyback etc.

 

D. Pulbere de fier

Miezul de pulbere de fier este format din particule de pulbere de fier de înaltă puritate, cu particule foarte mici, care sunt izolate unele de altele. Procesul de fabricație îl face să aibă un decalaj distribuit. În plus față de forma inelului, formele comune ale miezului de pulbere de fier au, de asemenea, tip E și tipuri de ștanțare. Permeabilitatea magnetică relativă a miezului de pulbere de fier este de aproximativ 10 până la 75, iar densitatea fluxului magnetic de saturație ridicată este de aproximativ 15000 Gauss. Dintre miezurile de fier pulbere, miezul pulberii de fier are cea mai mare pierdere de fier, dar cel mai mic cost.

Figura 3 prezintă curbele BH ale feritei mangan-zinc PC47 fabricate de TDK și miezuri de fier pulbere -52 și -2 fabricate de MICROMETALS; permeabilitatea magnetică relativă a feritei de mangan-zinc este mult mai mare decât cea a miezurilor de fier pulbere și este saturată. Densitatea fluxului magnetic este, de asemenea, foarte diferită, ferita este de aproximativ 5000 Gauss, iar miezul pulberii de fier este mai mare de 10000 Gauss.

图片3   3

Figura 3. Curba BH a miezului de ferită de mangan-zinc și de pulbere de fier din diferite materiale

 

Pe scurt, caracteristicile de saturație ale miezului de fier sunt diferite; odată ce curentul de saturație este depășit, permeabilitatea magnetică a miezului de ferită va scădea brusc, în timp ce miezul de pulbere de fier poate scădea încet. Figura 4 prezintă caracteristicile de scădere a permeabilității magnetice a unui miez de fier pulbere cu aceeași permeabilitate magnetică și a unei ferite cu un spațiu de aer sub diferite forțe ale câmpului magnetic. Acest lucru explică, de asemenea, inductanța miezului de ferită, deoarece permeabilitatea scade brusc atunci când miezul este saturat, după cum se poate vedea din ecuația (1), de asemenea, determină scăderea bruscă a inductanței; în timp ce miezul de pulbere cu spațiu de aer distribuit, permeabilitatea magnetică Rata scade încet atunci când miezul de fier este saturat, deci inductanța scade mai ușor, adică are caracteristici de polarizare DC mai bune. În aplicarea convertoarelor de putere, această caracteristică este foarte importantă; dacă caracteristica de saturație lentă a inductorului nu este bună, curentul inductorului crește la curentul de saturație și scăderea bruscă a inductanței va face ca tensiunea curentă a cristalului de comutare să crească brusc, ceea ce este ușor de cauzat.

图片3    4

Figura 4. Caracteristicile căderii permeabilității magnetice a miezului de fier sub formă de pulbere și a miezului de fier de ferită cu spațiu de aer sub diferite intensități de câmp magnetic.

 

Caracteristicile electrice ale inductorului și structura ambalajului

Atunci când proiectați un convertor de comutare și selectați un inductor, valoarea inductanței L, impedanța Z, rezistența AC ACR și valoarea Q (factorul de calitate), curentul nominal IDC și ISAT și pierderea miezului (pierderea miezului) și alte caracteristici electrice importante sunt toate Fii considerat. În plus, structura de ambalare a inductorului va afecta magnitudinea scurgerii magnetice, care la rândul său afectează EMI. Următoarele vor discuta caracteristicile menționate mai sus separat ca considerații pentru selectarea inductoarelor.

1. Valoarea inductanței (L)

Valoarea inductanței unui inductor este cel mai important parametru de bază în proiectarea circuitului, dar trebuie verificat dacă valoarea inductanței este stabilă la frecvența de funcționare. Valoarea nominală a inductanței este de obicei măsurată la 100 kHz sau 1 MHz fără o polarizare externă DC. Și pentru a asigura posibilitatea producției automatizate în masă, toleranța inductorului este de obicei ± 20% (M) și ± 30% (N). Figura 5 este graficul caracteristic al inductanței-frecvență al inductorului NR4018T220M al Taiyo Yuden măsurat cu metrul LCR al lui Wayne Kerr. Așa cum se arată în figură, curba valorii inductanței este relativ plană înainte de 5 MHz, iar valoarea inductanței poate fi aproape considerată o constantă. În banda de frecvență înaltă datorită rezonanței generate de capacitatea parazită și inductanță, valoarea inductanței va crește. Această frecvență de rezonanță se numește frecvența de auto-rezonanță (SRF), care de obicei trebuie să fie mult mai mare decât frecvența de funcționare.

图片5  5

Figura 5, diagrama de măsurare caracteristică inductanță-frecvență Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. Impedanță (Z)

Așa cum se arată în Figura 6, diagrama impedanței poate fi văzută și din performanța inductanței la diferite frecvențe. Impedanța inductorului este aproximativ proporțională cu frecvența (Z = 2πfL), deci cu cât frecvența este mai mare, reactanța va fi mult mai mare decât rezistența AC, deci impedanța se comportă ca o inductanță pură (faza este 90˚). La frecvențe înalte, datorită efectului de capacitate parazitară, se poate vedea punctul de frecvență auto-rezonant al impedanței. După acest punct, impedanța scade și devine capacitivă, iar faza se schimbă treptat la -90 ˚.

图片6  6

3. Valoarea Q și rezistența AC (ACR)

Valoarea Q în definiția inductanței este raportul dintre reactanță și rezistență, adică raportul dintre partea imaginară și partea reală a impedanței, ca în formula (2).

图片7

(2)

În cazul în care XL este reactanța inductorului, iar RL este rezistența alternativă a inductorului.

În domeniul frecvenței joase, rezistența AC este mai mare decât reactanța cauzată de inductanță, deci valoarea sa Q este foarte mică; pe măsură ce frecvența crește, reactanța (aproximativ 2πfL) devine din ce în ce mai mare, chiar dacă rezistența datorată efectului pielii (efectului pielii) și a efectului de proximitate (proximitate) Efectul devine din ce în ce mai mare, iar valoarea Q crește în continuare cu frecvența ; la apropierea de SRF, reactanța inductivă este compensată treptat de reactanța capacitivă, iar valoarea Q devine treptat mai mică; când SRF devine zero, deoarece reactanța inductivă și reactanța capacitivă sunt complet aceleași Dispare. Figura 7 arată relația dintre valoarea Q și frecvența NR4018T220M, iar relația este sub forma unui clopot inversat.

图片8  7

Figura 7. Relația dintre valoarea Q și frecvența inductorului Taiyo Yuden NR4018T220M

În banda de frecvență a inductanței aplicației, cu cât valoarea Q este mai mare, cu atât mai bine; înseamnă că reactanța sa este mult mai mare decât rezistența AC. În general vorbind, cea mai bună valoare Q este peste 40, ceea ce înseamnă că calitatea inductorului este bună. Cu toate acestea, în general pe măsură ce tendința DC crește, valoarea inductanței va scădea și valoarea Q va scădea, de asemenea. Dacă se utilizează sârmă plană emailată sau sârmă emailată cu mai multe fire, efectul pielii, adică rezistența la curent alternativ, poate fi redus, iar valoarea Q a inductorului poate fi, de asemenea, mărită.

Rezistența DC DCR este în general considerată ca rezistența DC a firului de cupru, iar rezistența poate fi calculată în funcție de diametrul și lungimea firului. Cu toate acestea, majoritatea inductoarelor SMD de curent scăzut vor folosi sudarea cu ultrasunete pentru a realiza foaia de cupru a SMD la terminalul de înfășurare. Cu toate acestea, deoarece firul de cupru nu are o lungime lungă și valoarea rezistenței nu este mare, rezistența la sudare reprezintă adesea o proporție considerabilă din rezistența totală la curent continuu. Luând ca exemplu inductorul SMD înfășurat de sârmă TDK CLF6045NIT-1R5N, rezistența DC măsurată este de 14,6mΩ, iar rezistența DC calculată pe baza diametrului și lungimii firului este de 12,1mΩ. Rezultatele arată că această rezistență la sudare reprezintă aproximativ 17% din rezistența totală la curent continuu.

Rezistența AC ACR are efect de piele și efect de proximitate, ceea ce va determina creșterea ACR cu frecvența; în aplicarea inductanței generale, deoarece componenta AC este mult mai mică decât componenta DC, influența cauzată de ACR nu este evidentă; dar la sarcină ușoară, deoarece componenta DC este redusă, pierderea cauzată de ACR nu poate fi ignorată. Efectul de piele înseamnă că, în condiții de curent alternativ, distribuția curentului în interiorul conductorului este inegală și concentrată pe suprafața firului, rezultând o reducere a secțiunii transversale echivalente a firului, care la rândul său crește rezistența echivalentă a firului cu frecvență. În plus, într-o înfășurare a firului, firele adiacente vor provoca adăugarea și scăderea câmpurilor magnetice datorate curentului, astfel încât curentul să fie concentrat pe suprafața adiacentă firului (sau cea mai îndepărtată suprafață, în funcție de direcția curentului ), care provoacă, de asemenea, o interceptare echivalentă a firului. Fenomenul că zona scade și crește rezistența echivalentă este așa-numitul efect de proximitate; în aplicarea inductanței unei înfășurări multistrat, efectul de proximitate este și mai evident.

图片9  8

Figura 8 arată relația dintre rezistența de curent alternativ și frecvența inductorului SMD bobinat cu fir NR4018T220M. La o frecvență de 1kHz, rezistența este de aproximativ 360mΩ; la 100kHz, rezistența crește la 775mΩ; la 10MHz, valoarea rezistenței este aproape de 160Ω. Atunci când se estimează pierderea de cupru, calculul trebuie să ia în considerare valoarea ACR cauzată de efectele de piele și de proximitate și să o modifice la formula (3).

4. Curent de saturație (ISAT)

Curentul de saturație ISAT este, în general, curentul de polarizare marcat atunci când valoarea inductanței este atenuată, cum ar fi 10%, 30% sau 40%. Pentru ferita de spațiu aerian, deoarece caracteristica sa de curent de saturație este foarte rapidă, nu există prea multe diferențe între 10% și 40%. Consultați Figura 4. Cu toate acestea, dacă este un miez de pulbere de fier (cum ar fi un inductor ștanțat), curba de saturație este relativ blândă, așa cum se arată în Figura 9, curentul de polarizare la 10% sau 40% din atenuarea inductanței este mult diferite, deci valoarea curentului de saturație va fi discutată separat pentru cele două tipuri de miezuri de fier, după cum urmează.

Pentru o ferită cu spațiu de aer, este rezonabil să se utilizeze ISAT ca limită superioară a curentului maxim de inductor pentru aplicațiile de circuit. Cu toate acestea, dacă este un miez de pulbere de fier, din cauza caracteristicii de saturație lentă, nu va exista nicio problemă chiar dacă curentul maxim al circuitului de aplicație depășește ISAT. Prin urmare, această caracteristică a miezului de fier este cea mai potrivită pentru comutarea aplicațiilor convertorului. Sub sarcină grea, deși valoarea inductanței inductorului este scăzută, așa cum se arată în Figura 9, factorul de ondulare curent este mare, dar toleranța curentă a curentului condensatorului este mare, deci nu va fi o problemă. Sub sarcină ușoară, valoarea inductanței inductorului este mai mare, ceea ce ajută la reducerea curentului de undă al inductorului, reducând astfel pierderea de fier. Figura 9 compară curba de curent de saturație a feritei înfășurate TDK SLF7055T1R5N și a inductorului cu miez de pulbere de fier ștanțat SPM6530T1R5M sub aceeași valoare nominală a inductanței.

图片9   9

Figura 9. Curba de curent de saturație a feritei înfășurate și a miezului de pulbere de fier ștanțat sub aceeași valoare nominală a inductanței

5. Curent nominal (IDC)

Valoarea IDC este polarizarea DC când temperatura inductorului crește la Tr˚C. Specificațiile indică, de asemenea, valoarea sa de rezistență DC RDC la 20 RDC. Conform coeficientului de temperatură al firului de cupru este de aproximativ 3.930 ppm, când temperatura lui Tr crește, valoarea rezistenței sale este RDC_Tr = RDC (1 + 0.00393Tr), iar consumul său de energie este PCU = I2DCxRDC. Această pierdere de cupru este disipată pe suprafața inductorului, iar rezistența termică ΘTH a inductorului poate fi calculată:

图片13(2)

Tabelul 2 se referă la fișa tehnică a seriei TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) și calculează rezistența termică la o creștere a temperaturii de 40˚C. Evident, pentru inductoarele din aceeași serie și dimensiune, rezistența termică calculată este aproape aceeași datorită aceleiași zone de disipare a căldurii la suprafață; cu alte cuvinte, IDC curent nominal al diferiților inductori poate fi estimat. Diferite serii (pachete) de inductoare au rezistențe termice diferite. Tabelul 3 compară rezistența termică a inductoarelor din seria TDK VLS6045EX (semi-ecranată) și seria SPM6530 (turnată). Cu cât este mai mare rezistența termică, cu atât creșterea temperaturii este mai mare atunci când inductanța curge prin curentul de sarcină; în caz contrar, cel mai mic.

图片14  (2)

Tabelul 2. Rezistența termică a inductoarelor din seria VLS6045EX la o creștere a temperaturii de 40˚C

Din Tabelul 3 se poate observa că, chiar dacă dimensiunea inductoarelor este similară, rezistența termică a inductoarelor ștanțate este mică, adică disiparea căldurii este mai bună.

图片15  (3)

Tabelul 3. Compararea rezistenței termice a diferiților inductori ai ambalajului.

 

6. Pierderea miezului

Pierderea miezului, denumită pierderea fierului, este cauzată în principal de pierderea curentului turbionar și a pierderii de histerezis. Mărimea pierderii de curent turbionar depinde în principal de faptul dacă materialul de bază este ușor de „condus”; dacă conductivitatea este ridicată, adică rezistivitatea este scăzută, pierderea de curent turbionar este mare și, dacă rezistivitatea feritei este mare, pierderea curentului turbionar este relativ mică. Pierderea curentului turbionar este, de asemenea, legată de frecvență. Cu cât frecvența este mai mare, cu atât pierderea curentului turbionar este mai mare. Prin urmare, materialul miezului va determina frecvența adecvată de funcționare a miezului. În general, frecvența de lucru a miezului de pulbere de fier poate ajunge la 1 MHz, iar frecvența de lucru a feritei poate ajunge la 10 MHz. Dacă frecvența de funcționare depășește această frecvență, pierderea curentului turbionar va crește rapid și temperatura miezului fierului va crește, de asemenea. Cu toate acestea, odată cu dezvoltarea rapidă a materialelor de miez de fier, miezurile de fier cu frecvențe de operare mai mari ar trebui să fie chiar după colț.

O altă pierdere de fier este pierderea de histerezis, care este proporțională cu aria închisă de curba de histerezis, care este legată de amplitudinea de oscilare a componentei de curent alternativ; cu cât leagănul de curent alternativ este mai mare, cu atât este mai mare pierderea de histerezis.

În circuitul echivalent al unui inductor, un rezistor conectat în paralel cu inductorul este adesea folosit pentru a exprima pierderea de fier. Când frecvența este egală cu SRF, reactanța inductivă și reactanța capacitivă se anulează, iar reactanța echivalentă este zero. În acest moment, impedanța inductorului este echivalentă cu rezistența la pierderea fierului în serie cu rezistența la înfășurare, iar rezistența la pierderea fierului este mult mai mare decât rezistența la înfășurare, deci impedanța la SRF este aproximativ egală cu rezistența la pierderea fierului. Luând ca exemplu un inductor de joasă tensiune, rezistența la pierderea fierului este de aproximativ 20kΩ. Dacă tensiunea efectivă a valorii la ambele capete ale inductorului este estimată la 5V, pierderea de fier este de aproximativ 1,25mW, ceea ce arată, de asemenea, că cu cât este mai mare rezistența la pierderea fierului, cu atât este mai bună.

7. Structura scutului

Structura de ambalare a inductoarelor de ferită include neprotejate, semi-protejate cu adeziv magnetic și protejate și există un spațiu de aer considerabil în oricare dintre ele. Evident, golul de aer va avea scurgeri magnetice și, în cel mai rău caz, va interfera cu circuitele de semnal mici din jur sau, dacă există un material magnetic în apropiere, inductanța acestuia va fi, de asemenea, modificată. O altă structură de ambalare este un inductor de pulbere de fier ștanțat. Deoarece nu există spațiu în interiorul inductorului și structura înfășurării este solidă, problema disipării câmpului magnetic este relativ mică. Figura 10 este utilizarea funcției FFT a osciloscopului RTO 1004 pentru a măsura magnitudinea câmpului magnetic de scurgere la 3 mm deasupra și pe partea inductorului ștampilat. Tabelul 4 listează comparația câmpului magnetic de scurgere a diferiților inductori ai structurii pachetelor. Se poate observa că inductoarele neprotejate au cea mai gravă scurgere magnetică; inductoarele ștampilate au cea mai mică scurgere magnetică, arătând cel mai bun efect de protecție magnetică. . Diferența de magnitudine a câmpului magnetic de scurgere a inductoarelor acestor două structuri este de aproximativ 14dB, care este de aproape 5 ori.

10图片16

Figura 10. Mărimea câmpului magnetic de scurgere măsurată la 3 mm deasupra și pe partea inductorului ștanțat

图片17 (4)

Tabelul 4. Comparația câmpului magnetic de scurgere a diferiților inductori ai structurii ambalajelor

8. cuplare

În unele aplicații, uneori există mai multe seturi de convertoare de curent continuu pe PCB, care sunt de obicei aranjate una lângă cealaltă, iar inductoarele lor corespunzătoare sunt, de asemenea, aranjate una lângă cealaltă. Dacă utilizați un tip fără ecran sau semi-ecranat cu adeziv magnetic Inductoarele pot fi cuplate între ele pentru a forma interferențe EMI. Prin urmare, atunci când plasați inductorul, se recomandă să marcați polaritatea inductorului mai întâi și să conectați punctul de pornire și de înfășurare al stratului interior al inductorului la tensiunea de comutare a convertorului, cum ar fi VSW al unui convertor buck, care este punctul de mișcare. Terminalul de ieșire este conectat la condensatorul de ieșire, care este punctul static; înfășurarea firului de cupru formează, prin urmare, un anumit grad de protecție a câmpului electric. În dispunerea cablajului multiplexorului, fixarea polarității inductanței ajută la fixarea magnitudinii inductanței reciproce și la evitarea unor probleme EMI neașteptate.

Aplicații:

Capitolul anterior a discutat despre materialul de bază, structura ambalajului și caracteristicile electrice importante ale inductorului. Acest capitol va explica modul de alegere a valorii de inductanță corespunzătoare a convertorului buck și considerațiile pentru alegerea unui inductor disponibil comercial.

Așa cum se arată în ecuația (5), valoarea inductorului și frecvența de comutare a convertorului vor afecta curentul de ondulare a inductorului (ΔiL). Curentul de ondulare a inductorului va curge prin condensatorul de ieșire și va afecta curentul de ondulare al condensatorului de ieșire. Prin urmare, va afecta selecția condensatorului de ieșire și va afecta în continuare dimensiunea ondulării tensiunii de ieșire. În plus, valoarea inductanței și valoarea capacității de ieșire vor afecta, de asemenea, proiectarea feedback-ului sistemului și răspunsul dinamic al sarcinii. Alegerea unei valori mai mari a inductanței are o tensiune de curent mai mică asupra condensatorului și este, de asemenea, benefică pentru a reduce ondularea tensiunii de ieșire și poate stoca mai multă energie. Cu toate acestea, o valoare mai mare a inductanței indică un volum mai mare, adică un cost mai mare. Prin urmare, la proiectarea convertorului, proiectarea valorii inductanței este foarte importantă.

图片18        (5)

Din formula (5) se poate observa că, atunci când diferența dintre tensiunea de intrare și tensiunea de ieșire este mai mare, curentul de ondulare a inductorului va fi mai mare, ceea ce este cea mai proastă condiție a proiectării inductorului. Împreună cu alte analize inductive, punctul de proiectare a inductanței convertorului treptat trebuie selectat, de obicei, în condițiile tensiunii maxime de intrare și a sarcinii maxime.

Atunci când se proiectează valoarea inductanței, este necesar să se facă un compromis între curentul de ondulare a inductorului și dimensiunea inductorului, iar factorul de curent de ondulare (factorul de curent de ondulare; γ) este definit aici, ca în formula (6).

图片19(6)

Înlocuind formula (6) cu formula (5), valoarea inductanței poate fi exprimată ca formula (7).

图片20  (7)

Conform formulei (7), când diferența dintre tensiunea de intrare și ieșire este mai mare, valoarea γ poate fi selectată mai mare; dimpotrivă, dacă tensiunea de intrare și ieșire este mai apropiată, proiectarea valorii γ trebuie să fie mai mică. Pentru a alege între curentul de undă al inductorului și dimensiunea, conform valorii tradiționale a experienței de proiectare, γ este de obicei de la 0,2 la 0,5. Următorul este luarea RT7276 ca exemplu pentru a ilustra calculul inductanței și selecția inductoarelor disponibile comercial.

Exemplu de proiectare: Proiectat cu RT7276 constant constant on-time (Advanced Constant On-Time; ACOT ™) convertor de redresare sincronă redusă, frecvența de comutare este de 700 kHz, tensiunea de intrare este de 4.5V la 18V, iar tensiunea de ieșire este de 1.05V . Curentul de încărcare completă este de 3A. După cum s-a menționat mai sus, valoarea inductanței trebuie să fie proiectată în condițiile tensiunii maxime de intrare de 18V și a sarcinii maxime de 3A, valoarea γ este luată ca 0,35, iar valoarea de mai sus este substituită în ecuația (7), inductanța valoarea este

图片21

 

Utilizați un inductor cu o valoare convențională a inductanței nominale de 1,5 µH. Înlocuiți formula (5) pentru a calcula curentul de ondulare a inductorului după cum urmează.

图片22

Prin urmare, curentul de vârf al inductorului este

图片23

Iar valoarea efectivă a curentului inductor (IRMS) este

图片24

Deoarece componenta de ondulare a inductorului este mică, valoarea efectivă a curentului inductorului este în principal componenta sa continuă, iar această valoare efectivă este utilizată ca bază pentru selectarea IDC a curentului nominal al inductorului. Cu un design de 80% reducere (reducere), cerințele de inductanță sunt:

 

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

 

Tabelul 5 listează inductorii disponibili pentru diferite serii de TDK, de dimensiuni similare, dar diferite în structura pachetului. Din tabel se poate observa că curentul de saturație și curentul nominal al inductorului ștanțat (SPM6530T-1R5M) sunt mari, iar rezistența termică este mică, iar disiparea căldurii este bună. În plus, conform discuției din capitolul anterior, materialul de bază al inductorului ștanțat este miezul de pulbere de fier, deci este comparat cu miezul de ferită al inductoarelor semi-ecranate (VLS6045EX-1R5N) și blindate (SLF7055T-1R5N) cu lipici magnetic. , Are caracteristici bune de polarizare DC. Figura 11 prezintă comparația de eficiență a diferitelor inductoare aplicate convertorului avansat de rectificare sincronă la timp RT7276 avansat. Rezultatele arată că diferența de eficiență dintre cele trei nu este semnificativă. Dacă luați în considerare disiparea căldurii, caracteristicile de polarizare continuă și problemele de disipare a câmpului magnetic, se recomandă utilizarea inductoarelor SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

Tabelul 5. Comparația inductanțelor diferitelor serii de TDK

图片26 11

Figura 11. Compararea eficienței convertorului cu inductori diferiți

Dacă alegeți aceeași structură a pachetului și valoarea inductanței, dar inductoare de dimensiuni mai mici, cum ar fi SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), deși dimensiunea sa este mică, dar rezistența DC RDC (44,5 mΩ) și rezistența termică ΘTH ( 51˚C) / W) Mai mare. Pentru convertoarele cu aceleași specificații, valoarea efectivă a curentului tolerat de inductor este, de asemenea, aceeași. Evident, rezistența la curent continuu va reduce eficiența la sarcini grele. În plus, o rezistență termică mare înseamnă o disipare slabă a căldurii. Prin urmare, atunci când alegeți un inductor, nu este necesar doar să luați în considerare beneficiile dimensiunilor reduse, ci și să evaluați neajunsurile acestuia.

 

În concluzie

Inductanța este una dintre componentele pasive utilizate în mod obișnuit în convertoarele de putere de comutare, care pot fi utilizate pentru stocarea și filtrarea energiei. Cu toate acestea, în proiectarea circuitelor, nu numai valoarea inductanței trebuie să fie acordată atenție, ci și alți parametri, inclusiv rezistența AC și valoarea Q, toleranța curentului, saturația miezului de fier și structura pachetului etc. să fie luat în considerare la alegerea unui inductor. . Acești parametri sunt, de obicei, legați de materialul de bază, procesul de fabricație și mărimea și costul. Prin urmare, acest articol introduce caracteristicile diferitelor materiale de bază din fier și cum se alege o inductanță adecvată ca referință pentru proiectarea sursei de alimentare.

 


Ora postării: 15 iunie 2021