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高频开关电源中的电感设计原则

导言

现在,随著传输资料流程的需求,电子产品的耗电量与日俱增,高频开关电源的频率也越来越高,而且对整个电压模组的速度和尺度要求也越来越严格。电感已经成为一切高频开关电源拓扑结构的基本元件,在工业,自动化和DC-DC 变换器上广泛运用。特别是满意从0 到60A 电流巨细的范围内对电感提出了更高的要求。

电感在电子三元件电感、电容与电阻之中,乃居于产品规划变换的要害地位,电感类元件,有必要经过一一的规划与测验才干决议。考虑到现在电感器繁复的标准和品种,在下一代电子产品规划中为高频开关电源变换高频开关电源电路挑选一个好的电感并不简略,规划者有必要在瞭解电感理论的基础上,再依据结构,额定电流,磁芯资料,磁芯损耗,温度和饱和电流归纳评估,挑选最佳电感参数。别的值得庆倖的是,许多电感供给商都供给尺度和功用优异的产品,乃至还能够修正产品参数以满意用户需求的效劳。

电感简介

电感、电阻和电容合称为三大被迫元件,其电器特性尽管各有不同,但却都是3C 产品中不可或缺的要害元件。电感的首要功用为安稳电流与去除杂讯,另可调配电阻与电容展示多种功用,故在机器、设备、消费性电子、电力配输与按捺电磁辐射方面被广泛运用。对电感的需求亦因而与日俱增。

电感的上游首要是以镍锌与锰锌铁氧体磁芯两大系列为主,因资料特性之不同,分别运用于资讯和通讯产品上。铁氧体磁芯(Ferrite Core)是以高温烧成的金属氧化物,首要作为高频线圈及变压器等产品之磁芯。

电感的开展趋势首要是因应体系产品的开展而改变。在电脑及其周边资讯产品方面,由于对空间需求的火急性不高,电感的开展以朝向产品体积小型化与开展排列式晶片电感为主。在通讯产品方面,由于该类产品对空间需求火急度高,因而电感器除了朝向小型化开展外,亦需进一步开发整合型元件以因应产品的需求;此外,为因应产品高频化的开展,电感亦需进步其运用频率,而朝向陶瓷等高频资料及元件开发。整体而言,未来电感器将朝向小型化、高频化及整合化开展。

电感参数

当导线内经过沟通电流时,在导线的内部及其周围发生交变磁通,导线的磁通量与出产此磁通的电流之比。当电感中经过直流电流时,其周围只出现固定的磁力线,不随时刻而改变;可是当在线圈中经过沟通电流时,其周围将出现出随时刻而改变的磁力线。依据法拉弟电磁感应规律(Faraday's law)-磁生电来剖析,电感则是电流经过线圈发生的磁通量(Flux)贮存在铁心中蓄积能量(Φ=LI),当经过线圈的电流愈大时磁通量也相对愈大,即代表贮存的能量添加。发生的感应电动势为:

如图1 中,开关导通时刻段,电感L 内的电流逐步添加,当导通完毕后,进入截止时刻段,这时候由于L内的电流到达最大值,电感中的电流不能骤变,所以,持续有电流流过,当截止时刻完毕后,电感中的电流到达最小值,重新开始新的週期。电感就是透过这种在沟通週期中的导通时刻,将能量贮存在磁场内,并在断开时,将所贮存的能量供给给负载来作业。

高频开关电源中的电感设计原则

图1.电感在DC-DC Buck 高频开关电源电路中的运用,作业在接连电流形式下。电感两头的电压能够骤变但电流不会骤变。

由于电感中改变磁场会对周边发生电磁辐射,对周边灵敏元件发生搅扰,因而遮罩是首要需求考虑的,从图4 能够看出遮罩与非遮罩电感的差异,他们各有优劣。遮罩的电感最首要就对外辐射少,可是尺度比较大,线圈的损耗大,价格也贵。非遮罩的电感则能够做的很小,电流也能够做的很大,价格也便宜。如果规划中问题辐射是要害因数,遮罩电感仍是首选。别的一个是环形电感越来越受欢迎了,环形有利于电磁遮罩,而且这种空气的空隙分佈也有利进步对电流的处理。

遮罩与非遮罩电感的比较,自遮罩的环形电感

当电流流经时,电感的温度会上升,沟通纹波(AC ripple)会导致磁芯损耗,而直流电流会导致感应系数下降。稳态状况下直流电流Irms 引起电感温度上升20-40 摄氏度,这也是电感功耗的首要参阅。别的,也有将Irms 归类成输出电流或开关模组的均匀电流。功耗有两部分组成,已是由Irms 部分核算的直流损耗P=I2R和AC 纹波电流引起的磁芯损耗。

磁芯损耗涉及到磁芯资料的挑选和磁芯截面乃至纹波电流,开关频率和结合高频开关电源电路部分的感应系数。磁芯损耗的核算在开关开闭期间是不一样的,可是依据经历,能够预算出相对精确的数值。

电压经过电感时由于感应电动势的存在导致电压与电流相位相反

图2.电压经过电感时由于感应电动势的存在导致电压与电流相位相反。

由于铁氧体资料具有高导磁率,因而适当简单让磁通量经过,这将可帮忙将磁通量维持在电感器的磁芯,一起创造较小尺度高磁性电感器的可能性。这亦可由上述的电感方程式剖析出,採用相关磁芯物质,就能够运用较小的截面积。

别的,設計者必須意識到電感的作业溫度和環境溫度的差別,這其中有個電感本身升溫的差別。比方說電感作业狀態的溫度設定在-40 到125 攝氏度之間,電感作业時本身溫度能够升高40 攝氏度,那麼作业環境的溫度就只能設置在-40 到85 攝氏度之間。並且溫度是由電感能耗和外表積決定的。

电感中电流随时刻改变的联系

图3.电感中电流随时刻改变的联系

电感挑选示例

依据电感的特点,在图7的高频开关电源电路是buck 变换高频开关电源电路为例阐明滤波电感的规划方法。这是常用的降压调理高频开关电源电路,以供给安稳和高效的输出电压。在变换高频开关电源电路中,设有LC 滤波高频开关电源电路,滤波电感中的电流含有一个直流成分和一个週期性改变的脉动成分。电感L 的作用是滤除占波开关输出电流中的脉动成分,以减小纹波,也能够看成是续流用的,当开关断开的时候,电感、负载、续流二极体就组成了回路。从滤波作用方面考虑,电感量越大,作用越显着。可是,如果电感量过大,会使滤波器的电磁时刻常数变得很大,使得输出电压对占空比改变的回应速度变慢,然后影响整个体系的快速性。一味地追求减小输出电压的纹波成分是不可取的。所以在规划电感参数时应从减小纹波和坚持必定的快速性两个方面去考虑。

电感中电流随时刻改变的联系

图7.DC-DC Buck 高频开关电源电路

此高频开关电源电路要求的相关参数如下:Vin=8-12V;Vo=5V;Io=0. 5-2A;fswitch=250kHz。高频开关电源电路作业在接连电流形式(CCM)下,即在各个作业状态下,电感中电流大于0A。现在依据以上参数,能够算出所需电感的参数:

 Irms 值的参阅是在沟通纹波比较小和磁芯损耗疏忽的状况下

磁芯资料和相应的参数

1. 核算高频开关电源电路中开关的週期T:T=1/f=1/250 kHz=4μs

2. 核算高频开关电源电路中开关的占空比D:Dmin=Vo/Vin(max)=5V/ 12V=0.4

3. 核算开关导通时刻Ton:Ton=TxDmin=4μs×0.4=1.6μs

4. 核算电感的纹波电流dI,一般不超越最大输出电流的30%: dI=Io×0.3=2A×0.3=0.6A

5. 核算电感两头的电压V:V=Vin(max)-Vout- Vdiode=12V-5V-1V=6V

6. 核算最小的感应系数,由V=LdI/dt 得出:Lmin=Vdt/ dI=6V×1.6μs/0.6 A=16μH

7. 核算考虑差错的感应系数,考虑到与标准之间20%的偏差和在额定电流下会有10-35%降幅:L=16μH/(0.8×0.65)=31μH , 再考虑到作业在接连电流形式下,因而感应系数调高到33μH。

8. 核算峰值电流Ipeak:Ipeak=Io(max)+dI/2=2A+0.6A/2=2.3A

电感的结构包含磁芯的尺度、资料、绕组的匝数、导线的直径等内容。电感量越大阐明相应的匝数也会增多,磁芯的体积就要大一些;电流越大,阐明採用的导线就越粗,也要求磁芯的体积增大。採用高导磁率的资料,相同的H 状况能够得到更大的B,磁芯的尺度就会减小。要丈量磁芯耗费通常适当困难,由于其包含适当複杂用来丈量磁通密度的测验设置安排、以及对迟滞迴路的预算。迄今许多电感器製造商并没有供给这方面的资料,不过却有部分能够用来预算出电感器磁芯耗费的一些特性曲线,这能够由铁氧体资料製造商、峰对峰磁通密度与频率的函数得出。如果知道电感器磁芯所採用的特定铁氧体资料以及体积巨细,那麽就能够运用这些曲线有效地预算出磁芯耗费。

此例中,如果挑选线圈N=20 匝,直流阻值0.06ohm,磁芯横截面积A=0.071cm2,体积0.2cm3 和磁芯损耗为150mW/cm3 资料的电感,则:

磁通量B=(dI× L)/(2×N× A)=(0.6A×33μH)/(2×20×0.071cm2)=700 Gauss;

磁芯损耗P=150mW/cm3×0.2cm3=30mW;

DC 损耗P=I2R=(2A)2 ×0.06 ohm=240mW 。

现在关于电感的一切参数都核算出来了,接下来就需求依据参数挑选适宜的电感。依据电感目录对照能够很便利找出适宜的电感。以下也给出了一些Tips:

1. 电感电流要依据规划中最大输出电流来挑选

2. 感应系数的值有必要到达理论的核算

3. 挑选理想的DC 阻抗,由于阻抗越小,DC 损耗就越小

4. 挑选适宜的电感结构和磁芯类别

在现在以消费驱动的商场中,能够估计的是携带型电子产品的尺度将会持续缩小,以便满意用户的希望和需求。为了坚持这种竞赛优势,规划者有必要从以上的各项基本原则出发来挑选和运用高牢靠性和紧凑性的电感。而随著对电感基本原理的把握及对本文示例的体会,规划者很简单找到适宜高频开关电源电路的电感而不必像曾经那样重复猜想。而且大多数电感厂商都能够依据用户需求供给相关参数的小尺度电感。本文的相关原则都能够作为规划标准参阅,以确保在大多数严苛运用下的牢靠性要求。

在高频开关电源规划中电感大多用作储能,滤波和续流。

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