nyheter

Sammanfattning

Induktorer är mycket viktiga komponenter i switchade omvandlare, såsom energilagring och effektfilter. Det finns många typer av induktorer, till exempel för olika applikationer (från lågfrekventa till högfrekventa), eller olika kärnmaterial som påverkar induktorns egenskaper och så vidare. Induktorer som används i switchade omvandlare är högfrekventa magnetiska komponenter. Men på grund av olika faktorer som material, driftsförhållanden (som spänning och ström) och omgivningstemperatur, är de presenterade egenskaperna och teorierna helt olika. Därför, i kretskonstruktionen, utöver den grundläggande parametern för induktansvärdet, måste förhållandet mellan induktorns impedans och växelströmsresistansen och frekvensen, kärnförlusten och mättnadsströmkarakteristiken etc. fortfarande beaktas. Denna artikel kommer att introducera flera viktiga induktorkärnmaterial och deras egenskaper, och även vägleda kraftingenjörer att välja kommersiellt tillgängliga standardinduktorer.

Förord

Induktor är en elektromagnetisk induktionskomponent, som bildas genom att linda ett visst antal spolar (spole) på en spole eller kärna med en isolerad tråd. Denna spole kallas en induktansspole eller induktor. Enligt principen om elektromagnetisk induktion, när spolen och magnetfältet rör sig i förhållande till varandra, eller spolen genererar ett växelmagnetiskt fält genom en växelström, kommer en inducerad spänning att genereras för att motstå förändringen av det ursprungliga magnetfältet, och denna egenskap för att begränsa strömändringen kallas induktans.

Formeln för induktansvärdet är som formel (1), som är proportionell mot den magnetiska permeabiliteten, kvadraten på lindningens varv N, och den ekvivalenta magnetiska kretsens tvärsnittsarea Ae, och är omvänt proportionell mot den ekvivalenta magnetiska kretslängden le . Det finns många typer av induktans, var och en lämplig för olika applikationer; induktansen är relaterad till form, storlek, lindningsmetod, antal varv och typen av mellanliggande magnetiskt material.

(1)

Beroende på formen på järnkärnan inkluderar induktansen toroidal, E-kärna och trumma; När det gäller järnkärnmaterial finns det främst keramiska kärnor och två mjuka magnetiska typer. De är ferrit och metallpulver. Beroende på struktur eller förpackningsmetod finns det trådlindade, flerskiktiga och gjutna, och trådlindningen har oskärmad och hälften av magnetiskt lim Skärmad (halvskärmad) och skärmad (skärmad), etc.

Induktorn fungerar som en kortslutning i likström och uppvisar hög impedans mot växelström. De grundläggande användningarna i kretsar inkluderar choking, filtrering, inställning och energilagring. Vid tillämpningen av switching-omvandlaren är induktorn den viktigaste energilagringskomponenten och bildar ett lågpassfilter med utgångskondensatorn för att minska utspänningsrippeln, så den spelar också en viktig roll i filtreringsfunktionen.

Denna artikel kommer att introducera de olika kärnmaterialen för induktorer och deras egenskaper, såväl som några av de elektriska egenskaperna hos induktorer, som en viktig utvärderingsreferens för att välja induktorer under kretsdesign. I applikationsexemplet kommer hur man beräknar induktansvärdet och hur man väljer en kommersiellt tillgänglig standardinduktor introduceras genom praktiska exempel.

Typ av kärnmaterial

Induktorer som används i switchade omvandlare är högfrekventa magnetiska komponenter. Kärnmaterialet i mitten påverkar mest induktorns egenskaper, såsom impedans och frekvens, induktansvärde och frekvens, eller kärnmättnadsegenskaper. Följande kommer att introducera jämförelsen av flera vanliga järnkärnmaterial och deras mättnadsegenskaper som en viktig referens för val av effektinduktorer:

1. Keramisk kärna

Keramisk kärna är ett av de vanligaste induktansmaterialen. Den används främst för att tillhandahålla den stödjande strukturen som används vid lindning av spolen. Det kallas också "luftkärninduktor". Eftersom den använda järnkärnan är ett icke-magnetiskt material med en mycket låg temperaturkoefficient, är induktansvärdet mycket stabilt i driftstemperaturområdet. Men på grund av det icke-magnetiska materialet som medium är induktansen mycket låg, vilket inte är särskilt lämpligt för applicering av effektomvandlare.

2. Ferrit

Ferritkärnan som används i högfrekventa induktorer är en ferritförening som innehåller nickelzink (NiZn) eller manganzink (MnZn), vilket är ett mjukt magnetiskt ferromagnetiskt material med låg koercitivitet. Figur 1 visar hystereskurvan (BH-loop) för en allmän magnetisk kärna. Koercitivkraften HC för ett magnetiskt material kallas även för koercitivkraft, vilket innebär att när det magnetiska materialet har magnetiserats till magnetisk mättnad, reduceras dess magnetisering (magnetisering) till noll. Den magnetiska fältstyrkan som krävs vid tillfället. Lägre koercitivitet betyder lägre motstånd mot avmagnetisering och betyder också lägre hysteresförlust.

Mangan-zink och nickel-zink ferriter har relativt hög relativ permeabilitet (μr), cirka 1500-15000 respektive 100-1000. Deras höga magnetiska permeabilitet gör järnkärnan högre i en viss volym. Induktansen. Nackdelen är dock att dess tolererbara mättnadsström är låg, och när järnkärnan väl är mättad kommer den magnetiska permeabiliteten att sjunka kraftigt. Se figur 4 för den minskande trenden för magnetisk permeabilitet för ferrit- och pulverjärnkärnor när järnkärnan är mättad. Jämförelse. När den används i kraftinduktorer kommer ett luftgap att finnas kvar i den magnetiska huvudkretsen, vilket kan minska permeabiliteten, undvika mättnad och lagra mer energi; när luftgapet ingår kan den ekvivalenta relativa permeabiliteten vara cirka 20- Mellan 200. Eftersom själva materialets höga resistivitet kan minska förlusten orsakad av virvelström, är förlusten lägre vid höga frekvenser, och den är mer lämplig för högfrekvenstransformatorer, EMI-filterinduktorer och energilagringsspoler för effektomvandlare. När det gäller driftfrekvens är nickel-zinkferrit lämplig för användning (>1 MHz), medan mangan-zinkferrit är lämplig för lägre frekvensband (<2 MHz).

1

Figur 1. Hystereskurvan för den magnetiska kärnan (BR: remanens; BSAT: mättnadsmagnetisk flödestäthet)

3. Pulverjärnskärna

Pulverjärnskärnor är också mjukmagnetiska ferromagnetiska material. De är gjorda av järnpulverlegeringar av olika material eller endast järnpulver. Formeln innehåller icke-magnetiska material med olika partikelstorlekar, så mättnadskurvan är relativt skonsam. Pulverjärnkärnan är till största delen ringformad. Figur 2 visar pulverjärnkärnan och dess tvärsnittsvy.

Vanliga pulverformade järnkärnor inkluderar järn-nickel-molybdenlegering (MPP), sendust (Sendust), järn-nickellegering (högflöde) och järnpulverkärna (järnpulver). På grund av de olika komponenterna är dess egenskaper och priser också olika, vilket påverkar valet av induktorer. Följande kommer att introducera de tidigare nämnda kärntyperna och jämföra deras egenskaper:

A. Järn-nickel-molybdenlegering (MPP)

Fe-Ni-Mo-legering förkortas MPP, vilket är förkortningen av molypermalloypulver. Den relativa permeabiliteten är cirka 14-500, och den magnetiska mättnadstätheten är cirka 7500 Gauss (Gauss), vilket är högre än den magnetiska mättnadstätheten för ferrit (cirka 4000-5000 Gauss). Många ute. MPP har den minsta järnförlusten och har den bästa temperaturstabiliteten bland pulverjärnkärnor. När den externa likströmmen når mättnadsströmmen ISAT, minskar induktansvärdet långsamt utan abrupt dämpning. MPP har bättre prestanda men högre kostnad och används vanligtvis som effektinduktor och EMI-filtrering för effektomvandlare.

B. Sendust

Järnkärnan av järn-kisel-aluminiumlegering är en legerad järnkärna som består av järn, kisel och aluminium, med en relativ magnetisk permeabilitet på cirka 26 till 125. Järnförlusten är mellan järnpulverkärnan och MPP och järn-nickellegering . Den magnetiska mättnadstätheten är högre än MPP, cirka 10500 Gauss. Temperaturstabilitet och mättnadsströmegenskaper är något sämre än MPP och järn-nickellegeringar, men bättre än järnpulverkärna och ferritkärna, och den relativa kostnaden är billigare än MPP och järn-nickellegeringar. Det används mest i EMI-filtrering, PFC-kretsar (power factor correction) och effektinduktorer för switchade effektomvandlare.

C. Järn-nickellegering (högt flöde)

Järn-nickellegeringskärnan är gjord av järn och nickel. Den relativa magnetiska permeabiliteten är cirka 14-200. Järnförlusten och temperaturstabiliteten ligger mellan MPP och järn-kisel-aluminiumlegering. Järn-nickellegeringskärnan har den högsta mättnadsmagnetiska flödestätheten, cirka 15 000 Gauss, och kan motstå högre DC-förspänningsströmmar, och dess DC-förspänningsegenskaper är också bättre. Tillämpningsomfång: Aktiv effektfaktorkorrigering, energilagringsinduktans, filterinduktans, högfrekvenstransformator av flyback-omvandlare, etc.

D. Järnpulver

Järnpulverkärnan är gjord av järnpulverpartiklar av hög renhet med mycket små partiklar som är isolerade från varandra. Tillverkningsprocessen gör att den har en fördelad luftspalt. Förutom ringformen har de vanliga kärnformerna av järnpulver även E-typ och stämplingstyper. Den relativa magnetiska permeabiliteten för järnpulverkärnan är cirka 10 till 75, och den höga mättnadsmagnetiska flödestätheten är cirka 15 000 Gauss. Bland pulverjärnkärnorna har järnpulverkärnan den högsta järnförlusten men den lägsta kostnaden.

Figur 3 visar BH-kurvorna för PC47-mangan-zinkferrit tillverkad av TDK och pulveriserade järnkärnor -52 och -2 tillverkade av MICROMETALS; den relativa magnetiska permeabiliteten för mangan-zink ferrit är mycket högre än för pulverformiga järnkärnor och är mättad. Den magnetiska flödestätheten är också mycket olika, ferriten är cirka 5000 Gauss och järnpulverkärnan är mer än 10000 Gauss.

3

Figur 3. BH-kurva för mangan-zinkferrit och järnpulverkärnor av olika material

Sammanfattningsvis är mättnadsegenskaperna för järnkärnan olika; när mättnadsströmmen väl överskrids kommer den magnetiska permeabiliteten hos ferritkärnan att sjunka kraftigt, medan järnpulverkärnan långsamt kan minska. Figur 4 visar de magnetiska permeabilitetsfallegenskaperna för en pulverjärnkärna med samma magnetiska permeabilitet och en ferrit med ett luftgap under olika magnetfältstyrkor. Detta förklarar också induktansen för ferritkärnan, eftersom permeabiliteten sjunker kraftigt när kärnan är mättad, vilket kan ses av ekvation (1), det gör också att induktansen sjunker kraftigt; medan pulverkärnan med fördelat luftgap, den magnetiska permeabiliteten. Hastigheten minskar långsamt när järnkärnan är mättad, så induktansen minskar mer försiktigt, det vill säga den har bättre DC-förspänningsegenskaper. Vid tillämpning av effektomvandlare är denna egenskap mycket viktig; om induktorns långsamma mättnadskarakteristik inte är bra, stiger induktorströmmen till mättnadsströmmen, och det plötsliga fallet i induktansen kommer att göra att strömspänningen hos omkopplingskristallen ökar kraftigt, vilket är lätt att orsaka skada.

4

Figur 4. Magnetisk permeabilitetsfallegenskaper för pulverjärnkärna och ferritjärnkärna med luftgap under olika magnetfältstyrka.

Induktors elektriska egenskaper och paketstruktur

När man konstruerar en switchande omvandlare och väljer en induktor måste induktansvärdet L, impedans Z, AC-resistans ACR och Q-värde (kvalitetsfaktor), märkström IDC och ISAT, och kärnförlust (kärnförlust) och andra viktiga elektriska egenskaper alla övervägas. Dessutom kommer induktorns förpackningsstruktur att påverka storleken på det magnetiska läckaget, vilket i sin tur påverkar EMI. Det följande kommer att diskutera de ovan nämnda egenskaperna separat som överväganden vid val av induktorer.

1. Induktansvärde (L)

Induktansvärdet för en induktor är den viktigaste grundparametern vid kretskonstruktion, men det måste kontrolleras om induktansvärdet är stabilt vid arbetsfrekvensen. Det nominella värdet på induktansen mäts vanligtvis vid 100 kHz eller 1 MHz utan extern DC-förspänning. Och för att säkerställa möjligheten till massautomatiserad produktion är toleransen för induktorn vanligtvis ±20% (M) och ±30% (N). Figur 5 är induktans-frekvenskarakteristikgrafen för Taiyo Yuden-spolen NR4018T220M mätt med Wayne Kerrs LCR-mätare. Som visas i figuren är induktansvärdeskurvan relativt platt före 5 MHz, och induktansvärdet kan närmast betraktas som en konstant. I högfrekvensbandet kommer induktansvärdet att öka på grund av resonansen som genereras av den parasitiska kapacitansen och induktansen. Denna resonansfrekvens kallas för självresonansfrekvensen (SRF), som vanligtvis behöver vara mycket högre än driftsfrekvensen.

5

Figur 5, Taiyo Yuden NR4018T220M induktans-frekvenskarakteristisk mätdiagram

2. Impedans (Z)

Som visas i figur 6 kan impedansdiagrammet också ses från induktansens prestanda vid olika frekvenser. Induktorns impedans är ungefär proportionell mot frekvensen (Z=2πfL), så ju högre frekvensen är, blir reaktansen mycket större än AC-resistansen, så impedansen beter sig som en ren induktans (fasen är 90˚). Vid höga frekvenser, på grund av den parasitiska kapacitanseffekten, kan impedansens självresonansfrekvenspunkt ses. Efter denna punkt sjunker impedansen och blir kapacitiv, och fasen ändras gradvis till -90 ˚.

6

3. Q-värde och AC-resistans (ACR)

Q-värdet i definitionen av induktans är förhållandet mellan reaktans och resistans, det vill säga förhållandet mellan den imaginära delen och den reella delen av impedansen, som i formel (2).

(2)

Där XL är induktorns reaktans och RL är induktorns AC-resistans.

I det låga frekvensområdet är AC-resistansen större än reaktansen som orsakas av induktansen, så dess Q-värde är mycket lågt; när frekvensen ökar blir reaktansen (ca 2πfL) större och större, även om motståndet på grund av hudeffekt (hudeffekt) och närhetseffekt (närhetseffekt) Effekten blir större och större, och Q-värdet ökar fortfarande med frekvensen ; när man närmar sig SRF, kompenseras den induktiva reaktansen gradvis av den kapacitiva reaktansen, och Q-värdet blir gradvis mindre; när SRF blir noll, eftersom den induktiva reaktansen och den kapacitiva reaktansen är helt samma Försvinner. Figur 7 visar förhållandet mellan Q-värdet och frekvensen för NR4018T220M, och förhållandet är i form av en inverterad klocka.

7

Figur 7. Förhållandet mellan Q-värde och frekvens för Taiyo Yuden-induktorn NR4018T220M

I applikationsfrekvensbandet av induktans, ju högre Q-värdet är, desto bättre; det betyder att dess reaktans är mycket större än AC-resistansen. Generellt sett är det bästa Q-värdet över 40, vilket betyder att kvaliteten på induktorn är bra. Men i allmänhet när DC-förspänningen ökar kommer induktansvärdet att minska och Q-värdet kommer också att minska. Om platt emaljerad tråd eller flertrådig emaljerad tråd används kan hudeffekten, det vill säga växelströmsresistansen, minskas och induktorns Q-värde kan också ökas.

DC-resistansen DCR betraktas generellt som DC-resistansen för koppartråden, och resistansen kan beräknas enligt trådens diameter och längd. Emellertid kommer de flesta lågströms SMD-induktorerna att använda ultraljudssvetsning för att göra kopparplåten av SMD vid lindningsterminalen. Men eftersom koppartråden inte är lång och resistansvärdet inte är högt, svarar svetsmotståndet ofta för en avsevärd del av det totala DC-motståndet. Om man tar TDK:s trådlindade SMD-induktor CLF6045NIT-1R5N som ett exempel, är den uppmätta DC-resistansen 14,6 mΩ och DC-resistansen beräknad utifrån tråddiametern och längden är 12,1 mΩ. Resultaten visar att detta svetsmotstånd står för cirka 17 % av det totala DC-motståndet.

AC-motstånd ACR har hudeffekt och närhetseffekt, vilket gör att ACR ökar med frekvensen; vid tillämpning av allmän induktans, eftersom AC-komponenten är mycket lägre än DC-komponenten, är påverkan som orsakas av ACR inte uppenbar; men vid lätt belastning, eftersom DC-komponenten är reducerad, kan förlusten som orsakas av ACR inte ignoreras. Skineffekten innebär att under AC-förhållanden är strömfördelningen inuti ledaren ojämn och koncentrerad till trådens yta, vilket resulterar i en minskning av den ekvivalenta trådtvärsnittsarean, vilket i sin tur ökar trådens ekvivalenta motstånd med frekvens. Dessutom, i en trådlindning kommer intilliggande ledningar att orsaka addition och subtraktion av magnetiska fält på grund av strömmen, så att strömmen koncentreras på ytan intill tråden (eller den längsta ytan, beroende på strömriktningen) ), vilket också orsakar motsvarande trådavlyssning. Fenomenet att arean minskar och motsvarande motstånd ökar är den så kallade närhetseffekten; vid induktanstillämpning av en flerskiktslindning är närhetseffekten ännu mer uppenbar.

8

Figur 8 visar förhållandet mellan AC-resistans och frekvens för den trådlindade SMD-induktorn NR4018T220M. Vid en frekvens på 1kHz är resistansen cirka 360mΩ; vid 100 kHz stiger motståndet till 775 mΩ; vid 10MHz är resistansvärdet nära 160Ω. Vid uppskattning av kopparförlusten måste beräkningen ta hänsyn till ACR som orsakas av hud- och närhetseffekter och modifiera den till formel (3).

4. Mättnadsström (ISAT)

Mättnadsström ISAT är i allmänhet den förspänningsström som är markerad när induktansvärdet är dämpat såsom 10 %, 30 % eller 40 %. För luftgapferrit, eftersom dess mättnadsströmkarakteristik är mycket snabb, är det inte mycket skillnad mellan 10% och 40%. Se figur 4. Men om det är en kärna av järnpulver (som en stansad induktor), är mättnadskurvan relativt svag, som visas i figur 9, är förspänningsströmmen vid 10 % eller 40 % av induktansdämpningen mycket olika, så mättnadsströmvärdet kommer att diskuteras separat för de två typerna av järnkärnor enligt följande.

För en luftgap-ferrit är det rimligt att använda ISAT som den övre gränsen för den maximala induktorströmmen för kretsapplikationer. Men om det är en kärna av järnpulver, på grund av den långsamma mättnadskarakteristiken, kommer det inte att vara några problem även om applikationskretsens maximala ström överstiger ISAT. Därför är denna järnkärnas karaktäristik mest lämplig för att byta omvandlarapplikationer. Under hög belastning, även om induktansvärdet för induktorn är lågt, som visas i figur 9, är strömrippelfaktorn hög, men strömkondensatorns strömtolerans är hög, så det kommer inte att vara ett problem. Under lätt belastning är induktansvärdet för induktorn större, vilket hjälper till att minska induktorns rippelström och därigenom minska järnförlusten. Figur 9 jämför mättnadsströmkurvan för TDK:s lindade ferrit SLF7055T1R5N och induktansspolar SPM6530T1R5M med stämplad järnpulver med samma nominella induktansvärde.

9

Figur 9. Mättnadsströmkurva för lindad ferrit och stämplad järnpulverkärna under samma nominella induktansvärde

5. Märkström (IDC)

IDC-värdet är DC-förspänningen när induktortemperaturen stiger till Tr˚C. Specifikationerna anger också dess DC-resistansvärde RDC vid 20˚C. Enligt temperaturkoefficienten för koppartråden är cirka 3 930 ppm, när temperaturen på Tr stiger är dess motståndsvärde RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), och dess strömförbrukning är PCU = I2DCxRDC. Denna kopparförlust försvinner på induktorns yta, och induktorns termiska resistans ΘTH kan beräknas:

(2)

Tabell 2 hänvisar till databladet för TDK VLS6045EX-serien (6,0×6,0×4,5 mm), och beräknar det termiska motståndet vid en temperaturökning på 40˚C. För induktorer av samma serie och storlek är uppenbarligen den beräknade termiska resistansen nästan densamma på grund av samma ytvärmeavledningsarea; med andra ord kan märkström IDC för olika induktorer uppskattas. Olika serier (paket) av induktorer har olika termiska resistanser. Tabell 3 jämför det termiska motståndet för induktorer i TDK VLS6045EX-serien (halvskärmad) och SPM6530-serien (gjuten). Ju större termiskt motstånd, desto högre temperaturstegring genereras när induktansen flyter genom belastningsströmmen; annars desto lägre.

(2)

Tabell 2. Termiskt motstånd för induktorer i VLS6045EX-serien vid en temperaturökning på 40˚C

Det framgår av tabell 3 att även om storleken på induktorerna är likartade, är värmemotståndet hos de stansade induktorerna lågt, det vill säga värmeavledningen är bättre.

(3)

Tabell 3. Jämförelse av termiskt motstånd för olika paketinduktorer.

6. Kärnförlust

Kärnförlust, kallad järnförlust, orsakas huvudsakligen av virvelströmsförlust och hysteresförlust. Storleken på virvelströmsförlusten beror främst på om kärnmaterialet är lätt att ”leda”; om konduktiviteten är hög, det vill säga resistiviteten är låg, är virvelströmsförlusten hög, och om resistiviteten hos ferriten är hög, är virvelströmsförlusten relativt låg. Virvelströmsförlust är också relaterad till frekvens. Ju högre frekvens, desto större är virvelströmsförlusten. Därför kommer kärnmaterialet att bestämma den korrekta arbetsfrekvensen för kärnan. Generellt sett kan arbetsfrekvensen för järnpulverkärnan nå 1MHz, och arbetsfrekvensen för ferrit kan nå 10MHz. Om arbetsfrekvensen överstiger denna frekvens kommer virvelströmsförlusten att öka snabbt och järnkärnans temperatur ökar också. Men med den snabba utvecklingen av järnkärnmaterial bör järnkärnor med högre arbetsfrekvenser vara precis runt hörnet.

En annan järnförlust är hysteresförlusten, som är proportionell mot arean som omges av hystereskurvan, vilken är relaterad till svängamplituden för strömmens AC-komponent; ju större AC-sving, desto större hysteresförlust.

I den ekvivalenta kretsen av en induktor används ofta ett motstånd kopplat parallellt med induktorn för att uttrycka järnförlusten. När frekvensen är lika med SRF tar den induktiva reaktansen och den kapacitiva reaktansen ut, och den ekvivalenta reaktansen är noll. Vid denna tidpunkt är induktorns impedans ekvivalent med järnförlustmotståndet i serie med lindningsmotståndet, och järnförlustmotståndet är mycket större än lindningsmotståndet, så impedansen vid SRF är ungefär lika med järnförlustmotståndet. Med en lågspänningsinduktor som exempel är dess järnförlustresistans cirka 20kΩ. Om den effektiva värdespänningen i båda ändarna av induktorn uppskattas till 5V, är dess järnförlust cirka 1,25mW, vilket också visar att ju större motståndskraft mot järnförlust, desto bättre.

7. Sköldstruktur

Förpackningsstrukturen för ferritinduktorer inkluderar oskärmade, halvskärmade med magnetiskt lim och skärmade, och det finns ett stort luftgap i någon av dem. Uppenbarligen kommer luftgapet att ha magnetiskt läckage, och i värsta fall kommer det att störa de omgivande små signalkretsarna, eller om det finns ett magnetiskt material i närheten kommer dess induktans också att ändras. En annan förpackningsstruktur är en stämplad järnpulverinduktor. Eftersom det inte finns något gap inuti induktorn och lindningsstrukturen är solid, är problemet med magnetfältsförlust relativt litet. Figur 10 är användningen av FFT-funktionen hos RTO 1004-oscilloskopet för att mäta storleken på det läckande magnetfältet vid 3 mm ovanför och på sidan av den stämplade induktorn. Tabell 4 listar jämförelsen av det magnetiska läckfältet för olika paketstrukturspoler. Det kan ses att oskärmade induktorer har det allvarligaste magnetläckaget; stämplade induktorer har det minsta magnetiska läckaget, vilket visar den bästa magnetiska skärmningseffekten. . Skillnaden i storleken på det magnetiska läckfältet för induktorerna i dessa två strukturer är cirka 14dB, vilket är nästan 5 gånger.

10

Figur 10. Storleken på det läckande magnetfältet mätt vid 3 mm ovanför och på sidan av den stämplade induktorn

(4)

Tabell 4. Jämförelse av det magnetiska läckfältet för olika paketstrukturspoler

8. koppling

I vissa applikationer finns det ibland flera uppsättningar DC-omvandlare på kretskortet, som vanligtvis är anordnade bredvid varandra, och deras motsvarande induktorer är också anordnade bredvid varandra. Om du använder en oskärmad eller en halvskärmad typ med magnetiskt lim kan induktorer kopplas ihop för att bilda EMI-störningar. Därför, när du placerar induktorn, rekommenderas det att först markera induktorns polaritet och ansluta start- och lindningspunkten för det innersta lagret av induktorn till omvandlarens växlingsspänning, såsom VSW för en buck-omvandlare, som är den rörliga punkten. Utgångsterminalen är ansluten till utgångskondensatorn, som är den statiska punkten; koppartrådslindningen bildar därför en viss grad av elektrisk fältskärmning. I ledningsarrangemanget för multiplexorn hjälper fixering av induktansens polaritet att fixera storleken på den ömsesidiga induktansen och undvika några oväntade EMI-problem.

Applikationer:

Det föregående kapitlet diskuterade kärnmaterialet, paketets struktur och viktiga elektriska egenskaper hos induktorn. Det här kapitlet kommer att förklara hur man väljer lämpligt induktansvärde för buck-omvandlaren och övervägandena för att välja en kommersiellt tillgänglig induktor.

Som visas i ekvation (5), kommer induktorns värde och växlingsfrekvensen för omvandlaren att påverka induktorns rippelström (ΔiL). Induktorns rippelström kommer att flyta genom utgångskondensatorn och påverka pulsströmmen för utgångskondensatorn. Därför kommer det att påverka valet av utgångskondensator och ytterligare påverka utspänningens rippelstorlek. Dessutom kommer induktansvärdet och utgångskapacitansvärdet också att påverka systemets återkopplingsdesign och lastens dynamiska respons. Att välja ett större induktansvärde har mindre strömbelastning på kondensatorn och är också fördelaktigt för att minska utspänningsrippeln och kan lagra mer energi. Ett större induktansvärde indikerar dock en större volym, det vill säga en högre kostnad. Därför är designen av induktansvärdet mycket viktig när omvandlaren designas.

(5)

Det kan ses från formel (5) att när gapet mellan ingångsspänningen och utspänningen är större, kommer induktorns rippelström att vara större, vilket är det värsta tänkbara tillståndet för induktorkonstruktionen. Tillsammans med annan induktiv analys bör induktansdesignpunkten för nedstegsomvandlaren vanligtvis väljas under villkoren för maximal inspänning och full belastning.

När man utformar induktansvärdet är det nödvändigt att göra en avvägning mellan induktorns rippelström och induktorstorleken, och rippelströmfaktorn (rippelströmfaktor; γ) definieras här, som i formel (6).

（6）

Genom att ersätta formel (6) med formel (5), kan induktansvärdet uttryckas som formel (7).

（7）

Enligt formel (7), när skillnaden mellan ingångs- och utspänningen är större, kan γ-värdet väljas större; tvärtom, om ingångs- och utgångsspänningen är närmare, måste γ-värdedesignen vara mindre. För att välja mellan induktorns rippelström och storleken, enligt den traditionella designupplevelsen, är γ vanligtvis 0,2 till 0,5. Följande tar RT7276 som ett exempel för att illustrera beräkningen av induktans och valet av kommersiellt tillgängliga induktorer.

Designexempel: Designad med RT7276 avancerad konstant på-tid (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) synkron likriktare steg-ned-omvandlare, dess omkopplingsfrekvens är 700 kHz, ingångsspänningen är 4,5V till 18V, och utspänningen är 1,05V . Fullastströmmen är 3A. Som nämnts ovan måste induktansvärdet utformas under villkoren för den maximala inspänningen på 18V och full belastning på 3A, värdet på γ tas till 0,35 och ovanstående värde ersätts i ekvation (7), induktansen värde är

Använd en induktor med ett konventionellt nominellt induktansvärde på 1,5 µH. Ersätt formel (5) för att beräkna induktorns rippelström enligt följande.

Därför är induktorns toppström

Och det effektiva värdet på induktorströmmen (IRMS) är

Eftersom induktorrippelkomponenten är liten, är det effektiva värdet för induktorströmmen huvudsakligen dess DC-komponent, och detta effektiva värde används som grund för val av induktorns märkström IDC. Med 80 % nedstämpling (derating) design är induktanskraven:

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

Tabell 5 listar tillgängliga induktorer för olika serier av TDK, liknande i storlek men olika i paketstruktur. Det kan ses från tabellen att mättnadsströmmen och märkströmmen för den stämplade induktorn (SPM6530T-1R5M) är stora, och den termiska resistansen är liten och värmeavledningen är god. Dessutom, enligt diskussionen i föregående kapitel, är kärnmaterialet i den stämplade induktorn järnpulverkärna, så det jämförs med ferritkärnan i de halvskärmade (VLS6045EX-1R5N) och skärmade (SLF7055T-1R5N) induktorerna med magnetiskt lim. , Har goda DC bias egenskaper. Figur 11 visar effektivitetsjämförelsen mellan olika induktorer applicerade på RT7276 avancerade konstant-på-tid synkron likriktare steg-ned-omvandlare. Resultaten visar att effektivitetsskillnaden mellan de tre inte är signifikant. Om du överväger värmeavledning, DC-förspänningsegenskaper och problem med magnetfältsavledning, rekommenderas att använda SPM6530T-1R5M-induktorer.

（5）

Tabell 5. Jämförelse av induktanser för olika serier av TDK

11

Figur 11. Jämförelse av omvandlarens effektivitet med olika induktorer

Om du väljer samma paketstruktur och induktansvärde, men mindre induktorer, såsom SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), även om dess storlek är liten, men DC-resistansen RDC (44,5mΩ) och termisk resistans ΘTH ( 51˚C) /W) Större. För omvandlare med samma specifikationer är det effektiva värdet på strömmen som tolereras av induktorn också detsamma. Uppenbarligen kommer DC-motståndet att minska effektiviteten under tung belastning. Dessutom innebär ett stort termiskt motstånd dålig värmeavledning. Därför, när du väljer en induktor, är det inte bara nödvändigt att överväga fördelarna med minskad storlek, utan också att utvärdera dess medföljande brister.

Avslutningsvis

Induktans är en av de vanligaste passiva komponenterna i switchande effektomvandlare, som kan användas för energilagring och filtrering. Men i kretsdesign är det inte bara induktansvärdet som måste uppmärksammas, utan andra parametrar inklusive AC-resistans och Q-värde, strömtolerans, järnkärnans mättnad och paketstruktur, etc., är alla parametrar som måste beaktas vid val av induktor. . Dessa parametrar är vanligtvis relaterade till kärnmaterialet, tillverkningsprocessen och storleken och kostnaden. Därför introducerar den här artikeln egenskaperna hos olika järnkärnmaterial och hur man väljer en lämplig induktans som referens för strömförsörjningsdesign.