为你的DC-DC转换器选择最合适的电感(一)

要选择合适的电感,就需要充分了解电感性能,以及想要达到的内部电路性能是以怎样的方式与供应商数据表中的信息相关联的。此文为经验丰富的功率转换专家和非专业人员讲解电感目录和电感的重要规格。

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介绍

DC-DC转换器的使用越来越普遍了。由于电子系统越来越小型化、移动化、复杂化并且越来越受欢迎,功率要求也就变得多样化了。可用的电池电压、要求的工作电压、尺寸和形状要求不断地在改变,这就使设备设计人员需要不停地寻找新的办法来解决功率转换问题。产品所提出的要求往往需要通过改进性能和缩小尺寸来满足,因此优化就变得非常重要。对于功率转换,并非所有应用都能采用“一体适用”。例如,许多实际应用中都需要采用像图1这样的薄型元件。

“图1:设计轻薄的转换器需要使用薄形电感”
图1:设计轻薄的转换器需要使用薄形电感

除了转换器批量采购的市场正在增长外,许多电路设计人员现在还会自行设计DC-DC转换电路,而非依赖电源专业公司,因而更多的电路设计人员可以自己选择元件。基本的DC-DC转换电路是非常成熟的技术,依然在缓慢地发展,因此专业作者可以编写出实用的辅助设计资料,设备设计人员则可以借助这些材料设计出自己的转换器。一些易于获取的软件也可以简化这些设计的过程1

在确定电路拓扑后,设计的关键任务之一是选择元件。很多电路设计程序可以列出所要求的元件参数值,此时设计人员要从确定所需的电感值开始,最终从可用范围中选择一种元件来执行工作。用于DC-DC转换器的电感有各种各样的形状和尺寸,图2和图3所示为其中的两种。为了对比不同的类型并选择对具体应用而言合适的元件,设计人员必须正确地理解为这些电感公布的规格。

“图2:用扁平线绕制的E形铁芯电感”
图2:用扁平线绕制的E形铁芯电感

“图3:采用坚固结构的磁屏蔽型模压电感,用于高密度电路”
图3:采用坚固结构的磁屏蔽型模压电感,用于高密度电路

DC-DC转换器要求

简而言之,DC-DC转换器的功能就是在给定的输入电压下提供稳定的直流输出电压。要在不超出给定的负载电流范围和/或输入电压范围的前提下调节直流输出电压,通常都需要使用转换器。理想情况下,直流输出是“纯净”的,即纹波电流或纹波电压控制在规定水平之内。此外,将功率从电源传输到负载的过程也必须实现规定的效率级别。要实现这些目标,功率电感的选择是一个重要的步骤。

功率电感参数

电感性能可以用几个数字来说明。表1一份典型的电感数据表,这些数据描述了一个用于DC-DC转换器中的表面贴装功率电感。

表1:典型电感目录的摘录2

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a、电感值在1MHz、0.1Vrms下测得

b、Isat为电感值下降30%时的典型值

c、Irms为引起40℃温升时的典型值

d、所有参数均在25℃下测得

定义

L—电感值:电感的主要功能参数,通过转换器设计公式计算得出,用以确定电感处理输出功率和控制纹波电流的能力。

DCR—直流电阻:元件的电阻,取决于所使用的绕线铜线的长度和直径。

SRF—自谐频率:电感线圈的电感值与其分布电容产生共振的频率点。

Isat—饱和电流:通过电感时导致铁芯饱和,致使电感值下降的电流。

Irms—均方根电流:连续地通过电感,引起允许的最大温升的电流。

要正确地使用额定值就必须理解它们是如何得来的。由于数据表不可能显示所有工作条件下的性能,因而就有必要了解额定值在不同的工作条件下是如何变化的。

电感值(L)

电感值是实现所需电路功能的主要参数,也是大多数设计过程中第一个要计算的参数。该值是以提供一定的最小能量存储量(或伏特-微秒容量)并减少输出电流纹波为标准来计算的。如果使用的电感值小于计算结果,会增加直流输出的交流纹波。使用太大或太小的电感值都可能迫使转换器在连续与非连续运行模式之间变化。

公差

大多数DC-DC转换器的应用对电感公差没有特别严格的要求。对于大多数元件来说,选择标准公差的产品合乎成本效益,并且能够满足绝大多数转换器的要求。表1的电感公差为±20%,该公差适用于大多数转换器。

测试条件

■ 电压。额定电感值应说明所采用的频率和测试电压。大多数目录额定电感值是基于“小”正弦电压。对于电感供应商来说,这是最容易实现并且最便于重复应用的方法,并且适于得出大多数应用的电感值。

■ 波形。正弦电压是标准的仪表测试条件,通常它能很好地确保得到的电感值与设计公式计算出的电感值匹配。

■ 测试频率。大多数功率电感在20kHz~500kHz的范围内变化不大,因此常用的比较合适的做法是使用基于100kHz的额定值。必须记住的是,随着频率增加,电感值最终会减小。这种现象的原因可能来自所使用铁芯材料的频率滚降特性,也可能来自线圈电感值与其分布电容共振。由于大多数转换器在50kHz~500kHz的范围内工作,因此100kHz是合适的标准测试频率。当开关频率增加到500kHz、1MHz及以上,考虑使用基于实际应用频率的额定值就更为重要了。

电阻

直流电阻(DCR)

DCR只是电感所使用铜线的一个量度,严格基于铜线直径和长度。目录中指定的该值通常为“最大值”,但也可以指定带公差的标称值。第二种方法通过给出标称值或预期电阻,可能更具指导性,但同时也可能会不必要地收紧规格,因为产品的电阻太小总不会有坏处。

跟通常为铜材的线圈材料的电阻率一样,DCR也随着温度的变化而变化。DCR额定应考虑环境测试温度,这是很重要的。铜电阻温度系数约为每摄氏度+0.4%3。因此,所示的最大额定值为0.009欧的产品在85℃下相应的最大额定值为0.011欧,只差2毫欧,但总变化却有25%。预期DCR与温度间的关系如图4所示。

“图4:基于25℃下最大0.009Ω
图4:基于25℃下最大0.009Ω Max的预期直流电阻

交流电阻

此参数一般不会在电感数据表中表示,它通常不是需要考虑的问题,除非工作频率或电流的交流成分比直流成分大。

由于集肤效应,大多数电感线圈的电阻随工作频率的增大而增大。如果交流或纹波电流相对于平均或直流电流要小,那么DCR是一个很好的电阻损耗度量标准。集肤效应随铜线直径和频率的变化而变化3,因此,要包含此数据,就需要给出目录所列的每一电感的完整频率曲线。

“图5:美国线规22号圆铜线的交流电阻/直流电阻”
图5:美国线规22号圆铜线的交流电阻/直流电阻

这对低于500kHz的大多数应用来说都是不必要的。从图5可以看出,在低于约200kHz的频率下,交流电阻不能与直流电阻相比。即使高于这个频率,如果交流电流不比直流成分大的话,交流电阻也并不构成问题。然而,如果频率高于200-300kHz,建议的做法就是向供应商索取损耗与频率关系的信息,作为对所公布的信息的补充。

如果要尽量缩小元件的尺寸,设计人员应选择电阻尽可能大的元件。通常情况下,减小DCR意味着必须使用较粗的铜线,总体尺寸就可能比较大。因此,优化DCR选择就是要在功率效率、元件允许的压降和元件尺寸之间进行权衡。

参考

1、Switchers Made Simple,an Expert System for theAutomated Design of DC to DC Converters usingSimple Switcher Power Converters Version 4.1,National Semiconductor.

2、Magnetics for RF,power,filter and dataapplications,p32,Coilcraft Inc, Cary,IL,USA,June2013.

3、Reference Data for Radio Engineers 6th Edition,Howard W. Sams & Co., Inc, Indianapolis, Indiana,USA,1975.

精彩内容未完待续......

本文转载自:Coilcraft(作者:Leonard Crane)
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