Industri nyheder

DC/DC valg - forstå den grundlæggende betydning af induktorparametre

2024-03-19

Forbrugerapplikationer er den vigtigste drivkraft for efterspørgslen efter moderne DC/DC-konvertere. I disse applikationer bruges strøminduktorer primært i batteridrevet udstyr, indlejret databehandling og høj-effekt, højfrekvente DC/DC-konvertere. At forstå de elektriske egenskaber af induktorer er afgørende for at designe kompakte, omkostningseffektive, højeffektive systemer med fremragende termisk ydeevne.


En induktor er en forholdsvis simpel komponent, der består af isoleret ledning pakket ind i en spole. Men kompleksiteten øges, når de individuelle komponenter kombineres for at skabe en induktor med den passende størrelse, vægt, temperatur, frekvens og spænding, mens den stadig opfylder målapplikationen.

Når du vælger en induktor, er det vigtigt at forstå de elektriske egenskaber, der er angivet i induktordatabladet. Denne artikel giver vejledning i at vælge den rigtige induktor til din løsning og forklarer, hvordan man forudsiger induktorydelse, når man designer nye DC/DC-konvertere.

1. Hvad er en induktor?

En induktor er et kredsløbselement, der lagrer energi i sit eget magnetfelt. Induktorer omdanner elektrisk energi til magnetisk energi ved at gemme den og derefter levere energi til kredsløbet for at regulere strømstrømmen. Når strømmen stiger, øges magnetfeltet. Figur 1 viser induktormodellen.

Figur 1: Elektrisk model af en induktor

En induktor er et kredsløbselement, der lagrer energi i sit eget magnetfelt. Induktorer omdanner elektrisk energi til magnetisk energi ved at gemme den og derefter levere energi til kredsløbet for at regulere strømstrømmen. Når strømmen stiger, øges magnetfeltet. Figur 1 viser induktormodellen.

Figur 2: Induktorparametre

Tabel 1 viser, hvordan man beregner induktans (L).

Tabel 1: Beregning af induktans (L)

Nedenfor beskriver vi almindelige induktorparametre i detaljer.


2.Induktansparametre

Magnetisk permeabilitet

Magnetisk permeabilitet er et materiales evne til at reagere på magnetisk flux og angiver også, hvor meget magnetisk flux der kan passere gennem en induktor i et påført elektromagnetisk felt. Tabel 2 viser forøgelsen af ​​magnetisk permeabilitet over for magnetisk fluxtæthed (B).

Tabel 2: Beregnet magnetisk fluxtæthed (B)

Som det kan ses af tabel 2, afhænger koncentrationen af ​​magnetisk flux af den magnetiske permeabilitet og størrelsen af ​​den magnetiske kerne.

Figur 3 viser en spole uden kerne.

Figur 3: Luftkernespiral

Den magnetiske permeabilitet af en luftkernespole er en konstant værdi (µr luft), omtrent lig med 1.

Figur 4 viser en induktor med en magnetisk kerne. Naturligvis forstærkes magnetfeltet med en magnetisk kerne.

Figur 4: Induktor med magnetisk kerne

Forskellige kernematerialer har forskellige typiske magnetiske permeabiliteter. Tabel 3 viser den magnetiske permeabilitet af tre forskellige kernematerialer.


Tabel 3: Magnetisk kernepermeabilitet


Induktansværdi (L)

En induktors evne til at lagre induceret elektrisk energi som magnetisk energi afspejles af dens induktansværdi. Mens omskiftningsindgangsspændingen driver induktoren, skal induktoren levere en konstant jævnstrøm til udgangsbelastningen.

Tabel 4 viser sammenhængen mellem strøm og induktorspænding. Det kan ses, at spændingen over induktoren er proportional med ændringen i strøm over tid.

Tabel 4: Beregning af induktorspændingsfald

Bestem først det induktansområde, der kræves til designet. Det er vigtigt at bemærke, at induktansværdien ikke er konstant over hele driftstilstanden og vil ændre sig, når frekvensen stiger. Derfor kræver applikationer med højere koblingsfrekvenser særlige overvejelser. Induktorproducenter tester typisk induktorer ved frekvenser fra 100kHz til 500kHz, fordi de fleste DC/DC-konvertere fungerer i dette område.


Modstand (R)

Induktorens strømmodstand forårsager varmeafledning, hvilket påvirker effektiviteten. Det samlede kobbertab inkluderer RDC-tab og RAC-tab. RDC er uafhængig af frekvens og er altid konstant; RAC afhænger af frekvensen. Tabel 5 viser metoden til beregning af RDC.

Tabel 5: Beregning af kobbertråd RDC

Den eneste måde at reducere kobbertabet på er at øge ledningsarealet, det vil sige skifte til tykkere ledninger eller bruge flade ledninger. Brug af fladtråd gør det muligt at udnytte viklingsvinduet fuldt ud, hvilket resulterer i lavere RDC. Tabel 6 viser en sammenligning af tværsnitsarealerne af runde ledninger og flade ledninger.

Tabel 6: Sammenligning af tværsnitsarealer af cirkulære og flade ledninger

Tabel 7 sammenligner karakteristika for rund ledning og flad ledning.

Tabel 7: Sammenligning af karakteristika mellem rundtråd og fladtråd

Induktor DC kobbertab (RDC) kan estimeres ved hjælp af ligning (1):

(PAC) Kobbertab afhænger af PAC, som er forårsaget af frekvensdrevet nærhedseffekt og hudeffekt. Jo højere frekvens, desto højere PAC kobbertab.


Kernetab

Normalt kan ferromagnetiske materialer opfylde de krævede magnetiske egenskaber for kerneinduktorer. Afhængig af kernematerialet varierer den relative permeabilitet af induktoren fra 50 til 20.000.

Materialets magnetiske domænestruktur reagerer, når der påføres et magnetfelt; uden et magnetfelt er retningen af ​​de magnetiske momenter tilfældig. Når magnetisk energi ændres, opstår der kernetab. Magnetiske domæner orienterer deres magnetiske momenter i retning af magnetfeltet. Efterhånden som de magnetiske domæner udvider og krymper, sætter nogle af dem sig fast i krystalstrukturen. Når først de fastsiddende magnetiske domæner er i stand til at rotere, spredes energien i form af varme.


Ripplestrøm (ΔIL)

Ripple-strøm (ΔIL) er ændringen i strøm under en koblingscyklus.

Induktorer fungerer muligvis ikke korrekt uden for deres spidsstrømsområde. Induktorens bølgestrøm er typisk designet til at være inden for 30 % til 40 % af IRMS.

Figur 5 viser bølgeformen af ​​induktorstrømmen.



Figur 5: Induktorstrømbølgeform


Nominel strøm (IDC, IRMS)

Nominel strøm er den jævnstrøm, der kræves for at hæve induktortemperaturen med en specificeret mængde. Temperaturstigning (ΔT) er ikke en standardværdi, men er typisk mellem 20K og 40K.

Nominel strøm målt ved omgivelsestemperatur. Dens værdi er normalt angivet i induktordatabladet og er den forventede aktuelle værdi for slutapplikationen. Til applikationer med højere omgivelsestemperaturer bør designere vælge induktorer med højere selvopvarmende temperaturer.

Figur 6 viser sammenhængen mellem temperaturstigning og mærkestrøm. Denne kurve kan bruges til at bestemme den aktuelle værdi svarende til enhver temperaturstigning.


Figur 6: Nominel strømkurve for induktor

I en applikation bestemmes driftstemperaturen (TOP) af den omgivende temperatur (TAMB) og selvopvarmningsværdien af ​​induktoren (ΔT). TOP kan estimeres ved formel (2):


En given mærkestrøm er den bedste måde at estimere induktortemperaturstigningen på. Temperaturstigning påvirkes også af kredsløbsdesign, printkortlayout, nærhed til andre komponenter og sporstørrelse og -tykkelse. For store AC-tab i induktorkernen og viklingerne kan også forårsage yderligere varme.

Hvis lavere selvopvarmning er påkrævet, skal der bruges en induktor med en større pakkestørrelse.


Mætningsstrøm (ISAT)

Mætningsstrømmen er den jævnstrøm, som en induktor kan understøtte, før den nominelle induktans falder med en specificeret procentdel.

Referenceprocenten for induktansfaldsværdien er unik for hver induktor. Typisk sætter producenterne denne værdi mellem 20 % og 35 %, hvilket kan gøre sammenligning af induktorer vanskelig. Men dataarket giver normalt en kurve, der viser, hvordan induktansen ændres med jævnstrøm. Denne kurve kan bruges til at måle hele området af induktans, og hvordan den reagerer på jævnstrøm.

DC-mætningsstrøm afhænger af temperaturen og det induktive magnetiske materiale og dets kernestruktur. Forskellige strukturer og kerner vil påvirke ISAT-værdien.

Ferritkerner er de mest almindelige og er karakteriseret ved en hård mætningskurve (se figur 7). Det er afgørende at sikre, at induktoren ikke fungerer ud over drop-off-punktet; ud over dette punkt falder induktansen kraftigt, og funktionaliteten falder.

Den syntetiske plastinduktor har et stabilt fald i induktansen, når temperaturen ændres, og har bløde mætningskarakteristika. Fordi dens følsomhed gradvist aftager, giver den designere større fleksibilitet og et bredere arbejdsområde.

Figur 7 viser to mætningskurver. Den blå kurve er et typisk eksempel på blød mætning af syntetiske plastinduktorer; den røde kurve er et typisk eksempel på hård mætning af NiZn/MnZn tromlekernespoler.

Figur 7: Induktormætningsstrømkurve


Induktorer med lille induktans (eller stor pakkestørrelse) kan håndtere højere mætningsstrømme.


Selvresonansfrekvens og impedans

En induktors selvresonansfrekvens (fR) er den laveste frekvens, ved hvilken induktoren resonerer med sin selvkapacitet. Under resonansfrekvensen er impedansen på sin maksimale top, og den effektive induktans er nul. Figur 8 viser kredsløbsmodellen af ​​induktoren.

Figur 8: Induktorkredsløbsmodel

En induktor har induktive egenskaber op til resonansfrekvensen (fR) (vist som den blå kurve i figur 9), fordi når frekvensen stiger, stiger impedansen. Ved resonansfrekvensen er den negative kapacitive reaktans (XC) lig med den positive induktive reaktans (XL), hvis værdi kan estimeres ved ligning (3):

Ud over resonansfrekvensen (vist som den røde kurve i figur 9) udviser induktoren kapacitiv adfærd med reduceret impedans. Ud over dette punkt vil induktoren ikke fungere som forventet.

Figur 9 viser forholdet mellem sansestørrelse og frekvens.

Figur 9: Sammenhæng mellem sansemængde og frekvens


Vælg en omkostningseffektiv, kompakt induktor

Ved at forstå den grundlæggende betydning af hver parameter i induktordatabladet kan du nemt vælge en passende induktor. Men hvis du forstår detaljerne skjult i hver parameter, kan du vælge den optimale induktor til din DC/DC-konverterapplikation og forudsige systemets ydeevne under forskellige forhold.


3.Konklusion

Der findes mange typer induktorer på markedet til forskellige anvendelser, og det er ikke en nem opgave at vælge den bedst egnede induktor. For eksempel reducerer større induktorer DC-tab og øger effektiviteten, men de er fysisk større og kører varmere. Ingen induktor er perfekt, og det er vigtigt at forstå parametrene for hver induktor og forholdet mellem forskellige parametre for at hjælpe designere med at afgøre, om en induktor er egnet til en specifik DC/DC-applikation.

We use cookies to offer you a better browsing experience, analyze site traffic and personalize content. By using this site, you agree to our use of cookies. Privacy Policy
Reject Accept