správy

Zhrnutie

Induktory sú veľmi dôležité komponenty v spínacích meničoch, ako sú zásobníky energie a výkonové filtre. Existuje mnoho typov induktorov, napríklad pre rôzne aplikácie (od nízkej frekvencie po vysokú frekvenciu), alebo rôzne materiály jadra, ktoré ovplyvňujú charakteristiky induktora atď. Induktory používané v spínacích meničoch sú vysokofrekvenčné magnetické komponenty. Avšak v dôsledku rôznych faktorov, ako sú materiály, prevádzkové podmienky (napríklad napätie a prúd) a okolitá teplota, sú prezentované charakteristiky a teórie značne odlišné. Preto pri návrhu obvodu treba okrem základného parametra hodnoty indukčnosti stále brať do úvahy aj vzťah medzi impedanciou tlmivky a striedavým odporom a frekvenciou, stratou jadra a charakteristikou saturačného prúdu atď. Tento článok predstaví niekoľko dôležitých materiálov jadra tlmivky a ich charakteristiky a tiež usmerní energetických inžinierov pri výbere komerčne dostupných štandardných tlmiviek.

Predslov

Induktor je elektromagnetická indukčná súčiastka, ktorá vzniká navinutím určitého počtu cievok (cievky) na cievku alebo jadro s izolovaným drôtom. Táto cievka sa nazýva indukčná cievka alebo induktor. Podľa princípu elektromagnetickej indukcie, keď sa cievka a magnetické pole navzájom pohybujú, alebo cievka generuje striedavé magnetické pole striedavým prúdom, vytvorí sa indukované napätie, ktoré bráni zmene pôvodného magnetického poľa, a táto charakteristika obmedzenia zmeny prúdu sa nazýva indukčnosť.

Vzorec hodnoty indukčnosti je ako vzorec (1), ktorý je úmerný magnetickej permeabilite, štvorcu závitov vinutia N a ekvivalentnej ploche prierezu magnetického obvodu Ae a je nepriamo úmerný ekvivalentnej dĺžke magnetického obvodu le . Existuje mnoho typov indukčnosti, z ktorých každý je vhodný pre iné aplikácie; indukčnosť súvisí s tvarom, veľkosťou, metódou vinutia, počtom závitov a typom medziľahlého magnetického materiálu.

(1)

V závislosti od tvaru železného jadra indukčnosť zahŕňa toroidné, E jadro a bubon; z hľadiska materiálu železného jadra existujú hlavne keramické jadro a dva mäkké magnetické typy. Sú to ferit a kovový prášok. V závislosti od štruktúry alebo spôsobu balenia sú drôty navinuté, viacvrstvové a tvarované a navinutý drôt má netienené a polovičné magnetické lepidlo Tienené (polotienené) a tienené (tienené) atď.

Induktor pôsobí ako skrat v jednosmernom prúde a má vysokú impedanciu voči striedavému prúdu. Medzi základné použitia v obvodoch patrí dusenie, filtrovanie, ladenie a skladovanie energie. Pri použití spínacieho meniča je tlmivka najdôležitejšou zložkou na uchovávanie energie a tvorí s výstupným kondenzátorom dolnopriepustný filter na zníženie zvlnenia výstupného napätia, takže hrá dôležitú úlohu aj vo funkcii filtrovania.

Tento článok predstaví rôzne základné materiály tlmiviek a ich charakteristiky, ako aj niektoré elektrické charakteristiky tlmiviek, ako dôležité hodnotiace referencie pre výber tlmiviek počas návrhu obvodu. V príklade aplikácie bude na praktických príkladoch predstavené, ako vypočítať hodnotu indukčnosti a ako vybrať komerčne dostupný štandardný induktor.

Typ materiálu jadra

Induktory používané v spínacích meničoch sú vysokofrekvenčné magnetické komponenty. Materiál jadra v strede najviac ovplyvňuje charakteristiky tlmivky, ako je impedancia a frekvencia, hodnota indukčnosti a frekvencia alebo charakteristiky saturácie jadra. V nasledujúcom texte sa uvedie porovnanie niekoľkých bežných materiálov železného jadra a ich saturačných charakteristík ako dôležitá referencia pre výber výkonových induktorov:

1. Keramické jadro

Keramické jadro je jedným z bežných indukčných materiálov. Používa sa hlavne na zabezpečenie nosnej konštrukcie používanej pri navíjaní cievky. Nazýva sa tiež „induktor vzduchového jadra“. Pretože použité železné jadro je nemagnetický materiál s veľmi nízkym teplotným koeficientom, hodnota indukčnosti je veľmi stabilná v rozsahu prevádzkových teplôt. Vzhľadom na nemagnetický materiál ako médium je však indukčnosť veľmi nízka, čo nie je príliš vhodné pre aplikáciu výkonových meničov.

2. Ferit

Feritové jadro používané vo všeobecných vysokofrekvenčných induktoroch je feritová zlúčenina obsahujúca nikel zinok (NiZn) alebo mangán zinok (MnZn), čo je mäkký magnetický feromagnetický materiál s nízkou koercitivitou. Obrázok 1 znázorňuje hysteréznu krivku (BH slučka) všeobecného magnetického jadra. Koercitívna sila HC magnetického materiálu sa tiež nazýva koercitívna sila, čo znamená, že keď bol magnetický materiál zmagnetizovaný na magnetickú saturáciu, jeho magnetizácia (magnetizácia) sa zníži na nulu. Požadovaná intenzita magnetického poľa v danom čase. Nižšia koercivita znamená nižšiu odolnosť proti demagnetizácii a tiež znamená nižšiu hysteréznu stratu.

Mangán-zinkové a nikel-zinkové ferity majú relatívne vysokú relatívnu permeabilitu (μr), asi 1500-15000 a 100-1000. Ich vysoká magnetická permeabilita robí železné jadro vyššie v určitom objeme. Indukčnosť. Nevýhodou však je, že jeho tolerovateľný saturačný prúd je nízky a akonáhle je železné jadro nasýtené, magnetická permeabilita prudko klesne. Na obrázku 4 je znázornený klesajúci trend magnetickej permeability feritových a práškových železných jadier, keď je železné jadro nasýtené. Porovnanie. Pri použití v silových induktoroch zostane v hlavnom magnetickom obvode vzduchová medzera, ktorá môže znížiť priepustnosť, vyhnúť sa nasýteniu a uložiť viac energie; keď je zahrnutá vzduchová medzera, ekvivalentná relatívna permeabilita môže byť asi 20- Medzi 200. Keďže vysoký odpor samotného materiálu môže znížiť straty spôsobené vírivými prúdmi, strata je nižšia pri vysokých frekvenciách a je vhodnejšia pre vysokofrekvenčné transformátory, filtračné tlmivky EMI a tlmivky na uchovávanie energie výkonových meničov. Z hľadiska pracovnej frekvencie je na použitie vhodný nikel-zinkový ferit (>1 MHz), zatiaľ čo mangán-zinkový ferit je vhodný pre nižšie frekvenčné pásma (<2 MHz).

1

Obrázok 1. Hysterézna krivka magnetického jadra (BR: remanencia; BSAT: saturačná hustota magnetického toku)

3. Práškové železné jadro

Jadrá z práškového železa sú tiež mäkké magnetické feromagnetické materiály. Vyrábajú sa zo zliatin železného prášku z rôznych materiálov alebo len železného prášku. Vzorec obsahuje nemagnetické materiály s rôznou veľkosťou častíc, takže krivka nasýtenia je pomerne jemná. Jadro z práškového železa je väčšinou toroidné. Obrázok 2 zobrazuje jadro z práškového železa a jeho pohľad v reze.

Bežné práškové železné jadrá zahŕňajú zliatinu železo-nikel-molybdén (MPP), sendust (Sendust), zliatinu železa a niklu (vysoký tok) a jadro železného prášku (železný prášok). Z dôvodu rôznych komponentov sú jeho vlastnosti a ceny tiež odlišné, čo ovplyvňuje výber induktorov. Nasleduje predstavenie vyššie uvedených základných typov a porovnanie ich vlastností:

A. Zliatina železa, niklu a molybdénu (MPP)

Zliatina Fe-Ni-Mo sa označuje skratkou MPP, čo je skratka pre molypermalloy prášok. Relatívna permeabilita je približne 14-500 a hustota saturačného magnetického toku je približne 7500 Gauss (Gauss), čo je vyššia ako hustota saturačného magnetického toku feritu (asi 4000-5000 Gauss). Mnohí vonku. MPP má najmenšie straty železa a má najlepšiu teplotnú stabilitu spomedzi práškových železných jadier. Keď externý jednosmerný prúd dosiahne saturačný prúd ISAT, hodnota indukčnosti pomaly klesá bez náhleho útlmu. MPP má lepší výkon, ale vyššiu cenu a zvyčajne sa používa ako výkonová tlmivka a filtrovanie EMI pre výkonové meniče.

B. Sendust

Železné jadro zo zliatiny železa, kremíka a hliníka je jadro zo zliatiny železa zložené zo železa, kremíka a hliníka s relatívnou magnetickou permeabilitou približne 26 až 125. Strata železa je medzi jadrom železného prášku a MPP a zliatinou železa a niklu. . Hustota saturačného magnetického toku je vyššia ako MPP, približne 10 500 Gaussov. Teplotná stabilita a charakteristiky saturačného prúdu sú o niečo horšie ako MPP a zliatina železa a niklu, ale lepšie ako jadro železného prášku a feritové jadro a relatívne náklady sú lacnejšie ako MPP a zliatina železa a niklu. Väčšinou sa používa v EMI filtrovaní, obvodoch korekcie účinníka (PFC) a silových tlmivkách spínaných výkonových meničov.

C. Zliatina železa a niklu (vysoký tok)

Jadro zo zliatiny železa a niklu je vyrobené zo železa a niklu. Relatívna magnetická permeabilita je asi 14-200. Strata železa a teplotná stabilita sú medzi MPP a zliatinou železo-kremík-hliník. Jadro zo zliatiny železa a niklu má najvyššiu hustotu saturačného magnetického toku, približne 15 000 Gaussov, a môže odolať vyšším jednosmerným predpätím a jeho charakteristiky jednosmerného predpätia sú tiež lepšie. Rozsah použitia: Aktívna korekcia účinníka, indukčnosť akumulácie energie, indukčnosť filtra, vysokofrekvenčný transformátor spätného prevodníka atď.

D. Železný prášok

Jadro železného prášku je vyrobené z vysoko čistých častíc železného prášku s veľmi malými časticami, ktoré sú navzájom izolované. Výrobný proces spôsobuje, že má distribuovanú vzduchovú medzeru. Okrem prstencového tvaru majú bežné tvary jadra zo železného prášku aj typ E a razenie. Relatívna magnetická permeabilita jadra železného prášku je asi 10 až 75 a vysoká hustota saturačného magnetického toku je asi 15 000 Gaussov. Spomedzi práškových železných jadier má železné práškové jadro najvyššiu stratu železa, ale najnižšie náklady.

Obrázok 3 ukazuje BH krivky mangánovo-zinkového feritu PC47 vyrobeného spoločnosťou TDK a práškové železné jadrá -52 a -2 vyrobené spoločnosťou MICROMETALS; relatívna magnetická permeabilita mangánovo-zinkového feritu je oveľa vyššia ako permeabilita práškového železného jadra a je nasýtená Hustota magnetického toku je tiež veľmi odlišná, ferit je asi 5000 Gauss a jadro železného prášku je viac ako 10000 Gauss.

3

Obrázok 3. BH krivka jadier z mangánovo-zinkového feritu a železného prášku z rôznych materiálov

Stručne povedané, charakteristiky nasýtenia železného jadra sú odlišné; akonáhle je saturačný prúd prekročený, magnetická permeabilita feritového jadra prudko klesne, zatiaľ čo jadro železného prášku môže pomaly klesať. Obrázok 4 znázorňuje charakteristiky poklesu magnetickej permeability jadra z práškového železa s rovnakou magnetickou permeabilitou a feritu so vzduchovou medzerou pri rôznych intenzitách magnetického poľa. To tiež vysvetľuje indukčnosť feritového jadra, pretože permeabilita prudko klesá, keď je jadro nasýtené, ako je možné vidieť z rovnice (1), tiež spôsobuje prudký pokles indukčnosti; zatiaľ čo práškové jadro s rozmiestnenou vzduchovou medzerou, magnetická permeabilita Rýchlosť klesá pomaly, keď je železné jadro nasýtené, takže indukčnosť klesá miernejšie, to znamená, že má lepšie charakteristiky DC predpätia. Pri aplikácii výkonových meničov je táto charakteristika veľmi dôležitá; ak pomalá saturačná charakteristika induktora nie je dobrá, induktorový prúd stúpne na saturačný prúd a náhly pokles indukčnosti spôsobí prudké zvýšenie prúdového napätia spínacieho kryštálu, čo môže ľahko spôsobiť poškodenie.

4

Obrázok 4. Charakteristiky poklesu magnetickej permeability jadra z práškového železa a jadra z feritového železa so vzduchovou medzerou pri rôznej sile magnetického poľa.

Elektrické charakteristiky induktora a štruktúra balenia

Pri navrhovaní spínacieho meniča a výbere tlmivky musia byť hodnoty indukčnosti L, impedancia Z, AC odpor ACR a hodnota Q (faktor kvality), menovitý prúd IDC a ISAT a strata jadra (strata jadra) a ďalšie dôležité elektrické charakteristiky. zvážiť. Okrem toho obalová štruktúra induktora ovplyvní veľkosť magnetického úniku, čo zase ovplyvňuje EMI. V nasledujúcom texte sa budú diskutovať vyššie uvedené charakteristiky samostatne ako úvahy pri výbere induktorov.

1. Hodnota indukčnosti (L)

Hodnota indukčnosti tlmivky je najdôležitejším základným parametrom pri návrhu obvodu, ale je potrebné skontrolovať, či je hodnota indukčnosti stabilná pri pracovnej frekvencii. Menovitá hodnota indukčnosti sa zvyčajne meria pri 100 kHz alebo 1 MHz bez externého jednosmerného predpätia. A aby sa zabezpečila možnosť hromadnej automatizovanej výroby, tolerancia induktora je zvyčajne ±20% (M) a ±30% (N). Obrázok 5 je graf charakteristiky indukčnosti a frekvencie induktora Taiyo Yuden NR4018T220M meraný pomocou LCR metra Wayna Kerra. Ako je znázornené na obrázku, krivka hodnoty indukčnosti je pred 5 MHz relatívne plochá a hodnotu indukčnosti možno považovať takmer za konštantnú. Vo vysokofrekvenčnom pásme v dôsledku rezonancie generovanej parazitnou kapacitou a indukčnosťou sa hodnota indukčnosti zvýši. Táto rezonančná frekvencia sa nazýva samorezonančná frekvencia (SRF), ktorá zvyčajne musí byť oveľa vyššia ako prevádzková frekvencia.

5

Obrázok 5, diagram merania charakteristiky indukčnosti a frekvencie Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedancia (Z)

Ako je znázornené na obrázku 6, impedančný diagram je možné vidieť aj z výkonu indukčnosti pri rôznych frekvenciách. Impedancia tlmivky je približne úmerná frekvencii (Z=2πfL), takže čím vyššia je frekvencia, reaktancia bude oveľa väčšia ako odpor striedavého prúdu, takže impedancia sa správa ako čistá indukčnosť (fáza je 90˚). Pri vysokých frekvenciách je v dôsledku parazitného kapacitného efektu vidieť samorezonančný frekvenčný bod impedancie. Po tomto bode impedancia klesá a stáva sa kapacitnou a fáza sa postupne mení na -90 ˚.

6

3. Hodnota Q a AC odpor (ACR)

Hodnota Q v definícii indukčnosti je pomer reaktancie k odporu, to znamená pomer imaginárnej časti k skutočnej časti impedancie, ako vo vzorci (2).

(2)

Kde XL je reaktancia induktora a RL je AC odpor induktora.

V nízkofrekvenčnom rozsahu je AC odpor väčší ako reaktancia spôsobená indukčnosťou, takže jeho hodnota Q je veľmi nízka; ako sa frekvencia zvyšuje, reaktancia (približne 2πfL) sa zväčšuje a zväčšuje, aj keď odpor spôsobený kožným efektom (efekt kože) a efekt blízkosti (proximity) Efekt sa zväčšuje a zväčšuje a hodnota Q sa stále zvyšuje s frekvenciou ; pri približovaní sa k SRF sa indukčná reaktancia postupne kompenzuje kapacitnou reaktanciou a hodnota Q sa postupne zmenšuje; keď sa SRF stane nulou, pretože indukčná reaktancia a kapacitná reaktancia sú úplne rovnaké Zmizne. Obrázok 7 ukazuje vzťah medzi hodnotou Q a frekvenciou NR4018T220M a vzťah je v tvare obráteného zvona.

7

Obrázok 7. Vzťah medzi hodnotou Q a frekvenciou induktora Taiyo Yuden NR4018T220M

V aplikačnom frekvenčnom pásme indukčnosti platí, že čím vyššia je hodnota Q, tým lepšie; to znamená, že jeho reaktancia je oveľa väčšia ako AC odpor. Všeobecne povedané, najlepšia hodnota Q je nad 40, čo znamená, že kvalita induktora je dobrá. Avšak vo všeobecnosti, keď sa jednosmerné predpätie zvyšuje, hodnota indukčnosti sa zníži a hodnota Q sa tiež zníži. Ak sa použije plochý smaltovaný drôt alebo viacpramenný smaltovaný drôt, môže sa znížiť efekt kože, tj AC odpor, a tiež sa môže zvýšiť hodnota Q induktora.

Jednosmerný odpor DCR sa vo všeobecnosti považuje za jednosmerný odpor medeného drôtu a odpor možno vypočítať podľa priemeru a dĺžky drôtu. Väčšina nízkoprúdových induktorov SMD však použije na výrobu medeného plechu SMD na svorke vinutia ultrazvukové zváranie. Avšak, pretože medený drôt nie je dlhý a hodnota odporu nie je vysoká, zvárací odpor často tvorí značnú časť celkového odporu jednosmerného prúdu. Ak vezmeme ako príklad drôtovú SMD tlmivku CLF6045NIT-1R5N od TDK, nameraný jednosmerný odpor je 14,6 mΩ a jednosmerný odpor vypočítaný na základe priemeru a dĺžky vodiča je 12,1 mΩ. Výsledky ukazujú, že tento zvárací odpor predstavuje asi 17 % celkového odporu jednosmerného prúdu.

AC odpor ACR má efekt kože a efekt blízkosti, čo spôsobí, že ACR sa bude zvyšovať s frekvenciou; pri aplikácii všeobecnej indukčnosti, pretože AC zložka je oveľa nižšia ako jednosmerná zložka, vplyv spôsobený ACR nie je zrejmý; ale pri malom zaťažení, Pretože DC komponent je znížený, straty spôsobené ACR nemožno ignorovať. Kožný efekt znamená, že v podmienkach striedavého prúdu je rozloženie prúdu vo vnútri vodiča nerovnomerné a sústredené na povrchu vodiča, čo vedie k zníženiu ekvivalentnej plochy prierezu vodiča, čo následne zvyšuje ekvivalentný odpor vodiča frekvencia. Okrem toho vo vinutí drôtu susedné drôty spôsobia sčítanie a odčítanie magnetických polí v dôsledku prúdu, takže prúd sa sústredí na povrch priľahlý k drôtu (alebo na najvzdialenejší povrch, v závislosti od smeru prúdu ), čo tiež spôsobuje ekvivalentné zachytenie drôtu. Jav, že plocha sa zmenšuje a ekvivalentný odpor sa zvyšuje, je takzvaný efekt priblíženia; pri indukčnej aplikácii viacvrstvového vinutia je efekt priblíženia ešte zreteľnejší.

8

Obrázok 8 zobrazuje vzťah medzi AC odporom a frekvenciou drôtovej SMD tlmivky NR4018T220M. Pri frekvencii 1kHz je odpor asi 360mΩ; pri 100 kHz odpor stúpne na 775 mΩ; pri 10MHz je hodnota odporu blízka 160Ω. Pri odhadovaní straty medi musí výpočet brať do úvahy ACR spôsobené kožnými a blízkosťovými efektmi a upraviť ho na vzorec (3).

4. Saturačný prúd (ISAT)

Saturačný prúd ISAT je vo všeobecnosti predpätý prúd označený, keď je hodnota indukčnosti zoslabená, napríklad 10 %, 30 % alebo 40 %. Pre ferit so vzduchovou medzerou, pretože jeho charakteristika saturačného prúdu je veľmi rýchla, nie je veľký rozdiel medzi 10 % a 40 %. Pozrite si obrázok 4. Ak však ide o jadro zo železného prášku (napríklad vyrazený induktor), krivka nasýtenia je relatívne jemná, ako je znázornené na obrázku 9, predpätie pri 10 % alebo 40 % útlmu indukčnosti je oveľa odlišná, takže hodnota saturačného prúdu bude diskutovaná oddelene pre dva typy železných jadier nasledovne.

Pre ferit so vzduchovou medzerou je rozumné použiť ISAT ako hornú hranicu maximálneho indukčného prúdu pre obvodové aplikácie. Ak však ide o jadro zo železného prášku, kvôli charakteristike pomalého nasýtenia nebude problém, aj keď maximálny prúd aplikačného obvodu prekročí ISAT. Preto je táto charakteristika železného jadra najvhodnejšia pre aplikácie spínaných meničov. Pri veľkom zaťažení, hoci je hodnota indukčnosti induktora nízka, ako je znázornené na obrázku 9, faktor zvlnenia prúdu je vysoký, ale tolerancia prúdu prúdového kondenzátora je vysoká, takže to nebude problém. Pri slabom zaťažení je hodnota indukčnosti tlmivky väčšia, čo pomáha znižovať zvlnený prúd tlmivky, čím sa znižuje strata železa. Obrázok 9 porovnáva krivku saturačného prúdu navinutého feritu SLF7055T1R5N spoločnosti TDK a induktora s jadrom z lisovaného železa SPM6530T1R5M pri rovnakej nominálnej hodnote indukčnosti.

9

Obrázok 9. Krivka saturačného prúdu navinutého feritu a jadra lisovaného železného prášku pri rovnakej menovitej hodnote indukčnosti

5. Menovitý prúd (IDC)

Hodnota IDC je jednosmerná odchýlka, keď teplota induktora stúpne na Tr˚C. Špecifikácie tiež uvádzajú jeho hodnotu odporu DC RDC pri 20˚C. Podľa teplotného koeficientu medeného drôtu je asi 3 930 ppm, keď teplota Tr stúpa, jeho hodnota odporu je RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) a jeho spotreba energie je PCU = I2DCxRDC. Táto strata medi sa rozptýli na povrchu tlmivky a možno vypočítať tepelný odpor ΘTH tlmivky:

(2)

Tabuľka 2 odkazuje na údajový list série TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) a vypočítava tepelný odpor pri náraste teploty o 40 °C. Je zrejmé, že pre induktory rovnakej série a veľkosti je vypočítaný tepelný odpor takmer rovnaký v dôsledku rovnakej plochy rozptylu povrchového tepla; inými slovami, možno odhadnúť IDC menovitého prúdu rôznych induktorov. Rôzne série (balenia) tlmiviek majú rôzne tepelné odpory. Tabuľka 3 porovnáva tepelný odpor tlmiviek série TDK VLS6045EX (polotienené) a série SPM6530 (tvarované). Čím väčší je tepelný odpor, tým vyšší je nárast teploty generovaný, keď indukčnosť preteká zaťažovacím prúdom; v opačnom prípade nižšie.

(2)

Tabuľka 2. Tepelný odpor tlmiviek série VLS6045EX pri náraste teploty o 40˚C

Z tabuľky 3 je zrejmé, že aj keď je veľkosť induktorov podobná, tepelný odpor lisovaných induktorov je nízky, to znamená, že odvod tepla je lepší.

(3)

Tabuľka 3. Porovnanie tepelného odporu rôznych obalových induktorov.

6. Strata jadra

Strata jadra, označovaná ako strata železa, je spôsobená najmä stratou vírivých prúdov a stratou hysterézie. Veľkosť straty vírivými prúdmi závisí hlavne od toho, či je materiál jadra ľahko „vodivý“; ak je vodivosť vysoká, to znamená, že odpor je nízky, strata vírivými prúdmi je vysoká a ak je odpor feritu vysoký, strata vírivými prúdmi je relatívne nízka. Strata vírivých prúdov súvisí aj s frekvenciou. Čím vyššia je frekvencia, tým väčšia je strata vírivým prúdom. Preto materiál jadra určí správnu prevádzkovú frekvenciu jadra. Všeobecne povedané, pracovná frekvencia jadra železného prášku môže dosiahnuť 1 MHz a pracovná frekvencia feritu môže dosiahnuť 10 MHz. Ak prevádzková frekvencia prekročí túto frekvenciu, strata vírivými prúdmi sa rýchlo zvýši a zvýši sa aj teplota železného jadra. S rýchlym vývojom materiálov železných jadier by však mali byť železné jadrá s vyššími prevádzkovými frekvenciami hneď za rohom.

Ďalšou stratou železa je strata hysterézy, ktorá je úmerná ploche ohraničenej hysteréznou krivkou, ktorá súvisí s amplitúdou kolísania striedavej zložky prúdu; čím väčší je výkyv striedavého prúdu, tým väčšia je strata hysterézy.

V ekvivalentnom obvode induktora sa na vyjadrenie straty železa často používa rezistor zapojený paralelne s induktorom. Keď sa frekvencia rovná SRF, indukčná a kapacitná reaktancia sa vyrušia a ekvivalentná reaktancia je nulová. V tomto čase je impedancia induktora ekvivalentná odporu pri strate železa v sérii s odporom vinutia a odpor pri strate železa je oveľa väčší ako odpor vinutia, takže impedancia pri SRF je približne rovnaká ako odpor pri strate železa. Ak vezmeme ako príklad nízkonapäťovú tlmivku, jej odpor pri strate železa je asi 20 kΩ. Ak sa efektívna hodnota napätia na oboch koncoch induktora odhaduje na 5 V, jeho strata železa je asi 1,25 mW, čo tiež ukazuje, že čím väčší je odpor straty železa, tým lepšie.

7. Štruktúra štítu

Štruktúra balenia feritových induktorov zahŕňa netienené, polotienené magnetickým lepidlom a tienené, pričom v oboch je značná vzduchová medzera. Je zrejmé, že vzduchová medzera bude mať magnetický únik a v najhoršom prípade bude rušiť okolité malé signálové obvody, alebo ak je v blízkosti magnetický materiál, zmení sa aj jeho indukčnosť. Ďalšou obalovou štruktúrou je lisovaný induktor železného prášku. Pretože vnútri induktora nie je žiadna medzera a štruktúra vinutia je pevná, problém rozptylu magnetického poľa je relatívne malý. Obrázok 10 je použitie funkcie FFT osciloskopu RTO 1004 na meranie veľkosti únikového magnetického poľa vo výške 3 mm nad a na strane vyrazeného induktora. Tabuľka 4 uvádza porovnanie zvodového magnetického poľa rôznych induktorov štruktúry obalu. Je možné vidieť, že netienené induktory majú najvážnejší magnetický únik; lisované tlmivky majú najmenší magnetický únik a vykazujú najlepší účinok magnetického tienenia. . Rozdiel vo veľkosti únikového magnetického poľa induktorov týchto dvoch štruktúr je asi 14 dB, čo je takmer 5-násobok.

10

Obrázok 10. Veľkosť únikového magnetického poľa meraná vo výške 3 mm nad a na boku vyrazeného induktora

(4)

Tabuľka 4. Porovnanie zvodového magnetického poľa rôznych induktorov štruktúry obalu

8. spojka

V niektorých aplikáciách sa niekedy na DPS nachádza viacero súprav jednosmerných meničov, ktoré sú zvyčajne usporiadané vedľa seba a ich zodpovedajúce tlmivky sú tiež usporiadané vedľa seba. Ak použijete netienený alebo polotienený typ s magnetickým lepidlom Induktory môžu byť navzájom spojené, aby vytvorili EMI rušenie. Preto sa pri umiestňovaní tlmivky odporúča najskôr označiť polaritu tlmivky a pripojiť počiatočný a vinutý bod najvnútornejšej vrstvy tlmivky k spínaciemu napätiu meniča, ako je VSW meniča buck, ktorý je pohyblivým bodom. Výstupná svorka je pripojená k výstupnému kondenzátoru, ktorý je statickým bodom; vinutie medeného drôtu preto tvorí určitý stupeň tienenia elektrického poľa. V usporiadaní zapojenia multiplexora pomáha fixácia polarity indukčnosti fixovať veľkosť vzájomnej indukčnosti a vyhnúť sa niektorým neočakávaným problémom s EMI.

Aplikácie:

Predchádzajúca kapitola diskutovala o materiáli jadra, štruktúre obalu a dôležitých elektrických charakteristikách induktora. Táto kapitola vysvetlí, ako zvoliť vhodnú hodnotu indukčnosti meniča buck a úvahy pri výbere komerčne dostupnej tlmivky.

Ako ukazuje rovnica (5), hodnota induktora a spínacia frekvencia meniča ovplyvnia zvlnený prúd induktora (ΔiL). Zvlnený prúd induktora bude pretekať cez výstupný kondenzátor a ovplyvní zvlnený prúd výstupného kondenzátora. Preto ovplyvní výber výstupného kondenzátora a ďalej ovplyvní veľkosť zvlnenia výstupného napätia. Okrem toho hodnota indukčnosti a hodnota výstupnej kapacity tiež ovplyvnia návrh spätnej väzby systému a dynamickú odozvu záťaže. Voľba väčšej hodnoty indukčnosti má menšie prúdové namáhanie kondenzátora a je tiež prospešná na zníženie zvlnenia výstupného napätia a môže uložiť viac energie. Väčšia hodnota indukčnosti však naznačuje väčší objem, to znamená vyššiu cenu. Preto je pri návrhu meniča veľmi dôležitý návrh hodnoty indukčnosti.

(5)

Zo vzorca (5) je zrejmé, že keď je medzera medzi vstupným napätím a výstupným napätím väčšia, zvlnený prúd induktora bude väčší, čo je najhorší prípad konštrukcie induktora. V spojení s inou indukčnou analýzou by sa mal návrhový bod indukčnosti meniča znižovania zvyčajne vyberať za podmienok maximálneho vstupného napätia a plného zaťaženia.

Pri návrhu hodnoty indukčnosti je potrebné urobiť kompromis medzi zvlneným prúdom tlmivky a veľkosťou tlmivky a je tu definovaný faktor zvlnenia prúdu (faktor zvlneného prúdu; γ), ako vo vzorci (6).

(6)

Nahradením vzorca (6) do vzorca (5) možno hodnotu indukčnosti vyjadriť ako vzorec (7).

(7)

Podľa vzorca (7), keď je rozdiel medzi vstupným a výstupným napätím väčší, hodnotu γ možno zvoliť väčšiu; naopak, ak sú vstupné a výstupné napätie bližšie, návrh hodnoty γ musí byť menší. Aby ste si mohli vybrať medzi zvlneným prúdom induktora a veľkosťou, podľa tradičnej hodnoty skúsenosti s návrhom je γ zvyčajne 0,2 až 0,5. Nasleduje príklad RT7276 na ilustráciu výpočtu indukčnosti a výberu komerčne dostupných induktorov.

Príklad dizajnu: Navrhnuté s pokročilým synchrónnym rektifikovaným meničom s konštantným časom zapnutia (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) RT7276, jeho spínacia frekvencia je 700 kHz, vstupné napätie je 4,5 V až 18 V a výstupné napätie je 1,05 V . Prúd pri plnom zaťažení je 3A. Ako je uvedené vyššie, hodnotu indukčnosti je potrebné navrhnúť za podmienok maximálneho vstupného napätia 18V a plnej záťaže 3A, hodnota γ sa berie ako 0,35 a vyššie uvedená hodnota sa dosadí do rovnice (7), indukčnosť hodnota je

Použite induktor s konvenčnou nominálnou hodnotou indukčnosti 1,5 µH. Doplňte vzorec (5) na výpočet zvlneného prúdu induktora nasledovne.

Preto je špičkový prúd induktora

A efektívna hodnota indukčného prúdu (IRMS) je

Pretože zložka zvlnenia induktora je malá, efektívna hodnota prúdu induktora je hlavne jeho jednosmerná zložka a táto efektívna hodnota sa používa ako základ pre výber menovitého prúdu induktora IDC. Pri 80% znížení (derating) návrhu sú požiadavky na indukčnosť:

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

Tabuľka 5 uvádza zoznam dostupných induktorov rôznych sérií TDK, podobnej veľkosti, ale odlišnej v štruktúre balenia. Z tabuľky je zrejmé, že saturačný prúd a menovitý prúd lisovaného induktora (SPM6530T-1R5M) sú veľké a tepelný odpor je malý a odvod tepla je dobrý. Okrem toho, podľa diskusie v predchádzajúcej kapitole, materiálom jadra lisovaného induktora je jadro zo železného prášku, takže sa porovnáva s feritovým jadrom polotienených (VLS6045EX-1R5N) a tienených (SLF7055T-1R5N) induktorov. s magnetickým lepidlom. , Má dobré charakteristiky predpätia DC. Obrázok 11 ukazuje porovnanie účinnosti rôznych induktorov aplikovaných na pokročilý zostupný konvertor synchrónneho usmerňovania s konštantnou dobou zapnutia RT7276. Výsledky ukazujú, že rozdiel v účinnosti medzi týmito tromi nie je významný. Ak uvažujete o rozptyle tepla, charakteristikách jednosmerného predpätia a rozptylu magnetického poľa, odporúča sa použiť tlmivky SPM6530T-1R5M.

(5)

Tabuľka 5. Porovnanie indukčností rôznych sérií TDK

11

Obrázok 11. Porovnanie účinnosti meniča s rôznymi induktormi

Ak zvolíte rovnakú štruktúru obalu a hodnotu indukčnosti, ale menšiu veľkosť induktorov, ako napríklad SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), jeho veľkosť je síce malá, ale jednosmerný odpor RDC (44,5 mΩ) a tepelný odpor ΘTH ( 51˚C) /W) Väčšie. Pre meniče s rovnakými špecifikáciami je efektívna hodnota prúdu tolerovaného tlmivkou tiež rovnaká. Je zrejmé, že odpor DC zníži účinnosť pri veľkom zaťažení. Navyše veľký tepelný odpor znamená zlý odvod tepla. Pri výbere tlmivky je preto potrebné zvážiť nielen výhody zmenšenej veľkosti, ale zhodnotiť aj jej sprievodné nedostatky.

Na záver

Indukčnosť je jednou z bežne používaných pasívnych súčiastok v spínacích meničoch výkonu, ktorú možno použiť na skladovanie a filtrovanie energie. Pri návrhu obvodu však nie je potrebné venovať pozornosť len hodnote indukčnosti, ale aj ďalším parametrom vrátane odporu striedavého prúdu a hodnoty Q, tolerancie prúdu, nasýtenia železného jadra a štruktúry obalu atď. zvážiť pri výbere induktora. . Tieto parametre zvyčajne súvisia s materiálom jadra, výrobným procesom a veľkosťou a nákladmi. Preto tento článok predstavuje charakteristiky rôznych materiálov železného jadra a ako zvoliť vhodnú indukčnosť ako referenciu pre návrh napájacieho zdroja.