zprávy

Shrnutí

Induktory jsou velmi důležité součásti ve spínacích měničích, jako jsou zásobníky energie a výkonové filtry. Existuje mnoho typů induktorů, například pro různé aplikace (od nízké frekvence po vysokofrekvenční), nebo různé materiály jádra, které ovlivňují vlastnosti induktoru a tak dále. Induktory používané ve spínacích měničích jsou vysokofrekvenční magnetické součástky. V důsledku různých faktorů, jako jsou materiály, provozní podmínky (jako je napětí a proud) a okolní teplota, jsou však uvedené charakteristiky a teorie zcela odlišné. Při návrhu obvodu je proto třeba kromě základního parametru hodnoty indukčnosti stále uvažovat i o vztahu impedance tlumivky a střídavého odporu a frekvence, úbytku jádra a charakteristiky saturačního proudu atd. Tento článek představí několik důležitých materiálů jádra tlumivek a jejich charakteristiky a také povede energetické inženýry k výběru komerčně dostupných standardních tlumivek.

Předmluva

Induktor je elektromagnetická indukční součástka, která vzniká navinutím určitého počtu cívek (cívek) na cívku nebo jádro s izolovaným drátem. Tato cívka se nazývá indukční cívka nebo induktor. Podle principu elektromagnetické indukce, když se cívka a magnetické pole vzájemně pohybují, nebo cívka generuje střídavé magnetické pole střídavým proudem, bude generováno indukované napětí, které odolává změně původního magnetického pole, a tato charakteristika omezení změny proudu se nazývá indukčnost.

Vzorec hodnoty indukčnosti je jako vzorec (1), který je úměrný magnetické permeabilitě, druhé mocnině závitů vinutí N a ekvivalentní ploše průřezu magnetického obvodu Ae a je nepřímo úměrný délce ekvivalentního magnetického obvodu le . Existuje mnoho typů indukčnosti, z nichž každý je vhodný pro různé aplikace; indukčnost souvisí s tvarem, velikostí, metodou vinutí, počtem závitů a typem mezilehlého magnetického materiálu.

(1)

V závislosti na tvaru železného jádra zahrnuje indukčnost toroidní, E jádro a buben; pokud jde o materiál železného jádra, jedná se především o keramické jádro a dva měkké magnetické typy. Jsou to ferit a kovový prášek. V závislosti na struktuře nebo způsobu balení jsou dráty navinuté, vícevrstvé a lisované a navinutý drát má nestíněné a z poloviny magnetické lepidlo Stíněné (polostíněné) a stíněné (stíněné) atd.

Induktor působí jako zkrat ve stejnosměrném proudu a má vysokou impedanci vůči střídavému proudu. Mezi základní použití v obvodech patří tlumení, filtrování, ladění a ukládání energie. Při použití spínacího měniče je induktor nejdůležitějším prvkem pro uchovávání energie a tvoří s výstupním kondenzátorem dolní propust pro snížení zvlnění výstupního napětí, takže také hraje důležitou roli ve funkci filtrace.

Tento článek představí různé základní materiály induktorů a jejich charakteristiky, stejně jako některé elektrické charakteristiky induktorů, jako důležitý referenční odkaz pro výběr induktorů při návrhu obvodu. V příkladu aplikace bude na praktických příkladech představeno, jak vypočítat hodnotu indukčnosti a jak vybrat komerčně dostupnou standardní tlumivku.

Typ materiálu jádra

Induktory používané ve spínacích měničích jsou vysokofrekvenční magnetické součástky. Materiál jádra ve středu nejvíce ovlivňuje charakteristiky induktoru, jako je impedance a frekvence, hodnota indukčnosti a frekvence nebo charakteristiky saturace jádra. Následující text představí srovnání několika běžných materiálů železného jádra a jejich saturačních charakteristik jako důležitý odkaz pro výběr výkonových induktorů:

1. Keramické jádro

Keramické jádro je jedním z běžných indukčních materiálů. Používá se především k zajištění nosné konstrukce používané při navíjení cívky. Nazývá se také „induktor vzduchového jádra“. Protože použité železné jádro je nemagnetický materiál s velmi nízkým teplotním koeficientem, je hodnota indukčnosti velmi stabilní v rozsahu provozních teplot. Vzhledem k nemagnetickému materiálu jako médiu je však indukčnost velmi nízká, což není příliš vhodné pro aplikaci výkonových měničů.

2. Ferit

Feritové jádro používané v obecných vysokofrekvenčních induktorech je feritová sloučenina obsahující nikl zinek (NiZn) nebo manganzinek (MnZn), což je měkký magnetický feromagnetický materiál s nízkou koercitivitou. Obrázek 1 ukazuje hysterezní křivku (BH smyčka) obecného magnetického jádra. Koercitivní síla HC magnetického materiálu se také nazývá koercitivní síla, což znamená, že když byl magnetický materiál zmagnetizován do magnetického nasycení, jeho magnetizace (magnetizace) je snížena na nulu. Požadovaná síla magnetického pole v daném okamžiku. Nižší koercivita znamená nižší odolnost proti demagnetizaci a také znamená nižší ztrátu hystereze.

Mangan-zinkové a nikl-zinkové ferity mají relativně vysokou relativní permeabilitu (μr), asi 1500-15000 a 100-1000. Jejich vysoká magnetická permeabilita činí železné jádro v určitém objemu vyšším. Indukčnost. Nevýhodou však je, že jeho snesitelný saturační proud je nízký a jakmile je železné jádro nasyceno, magnetická permeabilita prudce klesne. Na obrázku 4 je uveden klesající trend magnetické permeability jader z feritu a práškového železa, když je železné jádro nasycené. Srovnání. Při použití v silových induktorech zůstane v hlavním magnetickém obvodu vzduchová mezera, která může snížit propustnost, vyhnout se saturaci a uložit více energie; když je zahrnuta vzduchová mezera, ekvivalentní relativní propustnost může být asi 20- Mezi 200. Protože vysoký měrný odpor samotného materiálu může snížit ztráty způsobené vířivými proudy, je ztráta nižší při vysokých frekvencích a je vhodnější pro vysokofrekvenční transformátory, tlumivky filtrů EMI a tlumivky pro ukládání energie výkonových měničů. Z hlediska pracovní frekvence je pro použití vhodný ferit nikl-zinek (>1 MHz), zatímco ferit mangan-zinek je vhodný pro nižší frekvenční pásma (<2 MHz).

1

Obrázek 1. Hysterezní křivka magnetického jádra (BR: remanence; BSAT: saturační hustota magnetického toku)

3. Práškové železné jádro

Jádra z práškového železa jsou také měkce magnetické feromagnetické materiály. Jsou vyrobeny ze slitin železného prášku z různých materiálů nebo pouze železného prášku. Receptura obsahuje nemagnetické materiály s různou velikostí částic, takže křivka nasycení je poměrně šetrná. Jádro z práškového železa je většinou toroidní. Obrázek 2 ukazuje jádro z práškového železa a jeho pohled v řezu.

Běžná prášková železná jádra zahrnují slitinu železa, niklu a molybdenu (MPP), sendust (Sendust), slitinu železa a niklu (vysoký tok) a jádro z práškového železa (železný prášek). Vzhledem k různým součástem se liší také jeho vlastnosti a ceny, což ovlivňuje výběr induktorů. Níže budou představeny výše uvedené typy jader a porovnány jejich vlastnosti:

A. Slitina železa, niklu a molybdenu (MPP)

Slitina Fe-Ni-Mo se označuje zkratkou MPP, což je zkratka molypermalloyového prášku. Relativní permeabilita je asi 14-500 a hustota saturačního magnetického toku je asi 7500 Gauss (Gauss), což je vyšší než saturační hustota magnetického toku feritu (asi 4000-5000 Gauss). Mnoho z nich. MPP má nejmenší ztráty železa a má nejlepší teplotní stabilitu mezi jádry z práškového železa. Když externí stejnosměrný proud dosáhne saturačního proudu ISAT, hodnota indukčnosti pomalu klesá bez náhlého útlumu. MPP má lepší výkon, ale vyšší cenu a obvykle se používá jako výkonová tlumivka a filtr EMI pro výkonové měniče.

B. Sendust

Železné jádro ze slitiny železa, křemíku a hliníku je jádro ze slitiny železa složené ze železa, křemíku a hliníku s relativní magnetickou permeabilitou asi 26 až 125. Ztráta železa je mezi jádrem železného prášku a MPP a slitinou železa a niklu. . Hustota saturačního magnetického toku je vyšší než MPP, asi 10 500 Gaussů. Teplotní stabilita a charakteristiky saturačního proudu jsou mírně horší než MPP a slitina železa a niklu, ale lepší než jádro ze železného prášku a feritové jádro a relativní náklady jsou levnější než MPP a slitina železa a niklu. Nejvíce se používá v EMI filtrování, obvodech pro korekci účiníku (PFC) a silových tlumivkách spínaných výkonových měničů.

C. Slitina železa a niklu (vysoký tok)

Jádro ze slitiny železa a niklu je vyrobeno ze železa a niklu. Relativní magnetická permeabilita je asi 14-200. Ztráta železa a teplotní stabilita jsou mezi MPP a slitinou železo-křemík-hliník. Jádro ze slitiny železa a niklu má nejvyšší hustotu saturačního magnetického toku, asi 15 000 Gaussů, a snese vyšší stejnosměrné zkreslení a jeho charakteristiky stejnosměrného zkreslení jsou také lepší. Oblast použití: Aktivní korekce účiníku, indukčnost akumulace energie, indukčnost filtru, vysokofrekvenční transformátor zpětného měniče atd.

D. Železný prášek

Jádro železného prášku je vyrobeno z vysoce čistých částic železného prášku s velmi malými částicemi, které jsou od sebe izolovány. Díky výrobnímu procesu má distribuovanou vzduchovou mezeru. Kromě prstencového tvaru mají běžné tvary železného prášku také typ E a lisování. Relativní magnetická permeabilita jádra železného prášku je asi 10 až 75 a vysoká hustota magnetického toku nasycení je asi 15 000 Gaussů. Mezi práškovými železnými jádry má železné práškové jádro nejvyšší ztráty železa, ale nejnižší náklady.

Obrázek 3 ukazuje BH křivky mangan-zinkového feritu PC47 vyrobeného společností TDK a práškových železných jader -52 a -2 vyrobených společností MICROMETALS; relativní magnetická permeabilita mangan-zinkového feritu je mnohem vyšší než u práškových železných jader a je nasycená. Hustota magnetického toku je také velmi odlišná, ferit je asi 5000 Gauss a jádro železného prášku je více než 10000 Gauss.

3

Obrázek 3. BH křivka jader mangan-zinek feritu a železného prášku z různých materiálů

Stručně řečeno, charakteristiky nasycení železného jádra jsou různé; jakmile je překročen saturační proud, magnetická permeabilita feritového jádra prudce klesne, zatímco jádro železného prášku se může pomalu snižovat. Obrázek 4 ukazuje charakteristiky poklesu magnetické permeability jádra z práškového železa se stejnou magnetickou permeabilitou a feritu se vzduchovou mezerou při různých intenzitách magnetického pole. To také vysvětluje indukčnost feritového jádra, protože permeabilita prudce klesá, když je jádro nasyceno, jak je vidět z rovnice (1), také způsobuje prudký pokles indukčnosti; zatímco jádro prášku s distribuovanou vzduchovou mezerou, magnetická permeabilita Rychlost klesá pomalu, když je železné jádro nasyceno, takže indukčnost klesá jemněji, to znamená, že má lepší charakteristiky DC předpětí. Při aplikaci výkonových měničů je tato charakteristika velmi důležitá; pokud charakteristika pomalého sycení induktoru není dobrá, proud induktorem stoupne na saturační proud a náhlý pokles indukčnosti způsobí prudké zvýšení proudového namáhání spínacího krystalu, což může snadno způsobit poškození.

4

Obrázek 4. Charakteristiky poklesu magnetické permeability jádra z práškového železa a jádra z feritového železa se vzduchovou mezerou při různé síle magnetického pole.

Elektrické charakteristiky induktoru a struktura obalu

Při navrhování spínacího měniče a výběru induktoru jsou hodnoty indukčnosti L, impedance Z, AC odpor ACR a hodnota Q (faktor kvality), jmenovitý proud IDC a ISAT a ztráta jádra (ztráta jádra) a další důležité elektrické charakteristiky. být vzaty v úvahu. Kromě toho obalová struktura induktoru ovlivní velikost magnetického úniku, což zase ovlivňuje EMI. Dále budou probrány výše uvedené charakteristiky samostatně jako úvahy pro výběr induktorů.

1. Hodnota indukčnosti (L)

Hodnota indukčnosti induktoru je nejdůležitějším základním parametrem při návrhu obvodu, ale je třeba zkontrolovat, zda je hodnota indukčnosti stabilní při pracovní frekvenci. Jmenovitá hodnota indukčnosti se obvykle měří při 100 kHz nebo 1 MHz bez vnějšího stejnosměrného předpětí. A aby byla zajištěna možnost hromadné automatizované výroby, tolerance induktoru je obvykle ±20 % (M) a ±30 % (N). Obrázek 5 je graf indukčnosti-frekvenční charakteristiky induktoru Taiyo Yuden NR4018T220M měřený pomocí LCR měřiče Wayna Kerra. Jak je znázorněno na obrázku, křivka hodnoty indukčnosti je před 5 MHz relativně plochá a hodnotu indukčnosti lze téměř považovat za konstantní. Ve vysokofrekvenčním pásmu v důsledku rezonance generované parazitní kapacitou a indukčností se hodnota indukčnosti zvýší. Tato rezonanční frekvence se nazývá vlastní rezonanční frekvence (SRF), která obvykle musí být mnohem vyšší než pracovní frekvence.

5

Obrázek 5, diagram měření indukčnosti-frekvenční charakteristiky Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedance (Z)

Jak je znázorněno na obrázku 6, impedanční diagram lze také vidět z výkonu indukčnosti při různých frekvencích. Impedance induktoru je přibližně úměrná frekvenci (Z=2πfL), takže čím vyšší frekvence, tím bude reaktance mnohem větší než střídavý odpor, takže se impedance chová jako čistá indukčnost (fáze je 90˚). Při vysokých frekvencích je díky parazitnímu kapacitnímu efektu vidět vlastní rezonanční frekvenční bod impedance. Po tomto bodě impedance klesne a stane se kapacitní a fáze se postupně změní na -90 ˚.

6

3. Hodnota Q a AC odpor (ACR)

Hodnota Q v definici indukčnosti je poměr reaktance k odporu, tj. poměr imaginární části ke skutečné části impedance, jako ve vzorci (2).

(2)

Kde XL je reaktance induktoru a RL je AC odpor induktoru.

V oblasti nízkých frekvencí je střídavý odpor větší než reaktance způsobená indukčností, takže jeho hodnota Q je velmi nízká; jak se frekvence zvyšuje, reaktance (asi 2πfL) se zvětšuje a zvětšuje, i když odpor v důsledku kožního efektu (efekt kůže) a efekt blízkosti (proximity) Efekt se zvětšuje a zvětšuje a hodnota Q stále roste s frekvencí ; při přiblížení k SRF je indukční reaktance postupně kompenzována kapacitní reaktancí a hodnota Q se postupně zmenšuje; když se SRF stane nulou, protože indukční reaktance a kapacitní reaktance jsou úplně stejné Zmizí. Obrázek 7 ukazuje vztah mezi hodnotou Q a frekvencí NR4018T220M a vztah je ve tvaru obráceného zvonu.

7

Obrázek 7. Vztah mezi hodnotou Q a frekvencí induktoru Taiyo Yuden NR4018T220M

V aplikačním frekvenčním pásmu indukčnosti platí, že čím vyšší je hodnota Q, tím lépe; to znamená, že jeho reaktance je mnohem větší než střídavý odpor. Obecně řečeno, nejlepší hodnota Q je nad 40, což znamená, že kvalita induktoru je dobrá. Obecně však platí, že jak se stejnosměrné předpětí zvyšuje, hodnota indukčnosti se snižuje a hodnota Q se také snižuje. Pokud se použije plochý smaltovaný drát nebo vícepramenný smaltovaný drát, lze snížit kožní efekt, tj. střídavý odpor, a také zvýšit hodnotu Q induktoru.

DC odpor DCR je obecně považován za DC odpor měděného drátu a odpor lze vypočítat podle průměru a délky drátu. Většina nízkoproudých induktorů SMD však použije k výrobě měděného plechu SMD na svorce vinutí ultrazvukové svařování. Protože však měděný drát není dlouhý a hodnota odporu není vysoká, svařovací odpor často tvoří značnou část celkového stejnosměrného odporu. Vezmeme-li jako příklad drátovou SMD tlumivku TDK CLF6045NIT-1R5N, naměřený DC odpor je 14,6 mΩ a DC odpor vypočítaný na základě průměru a délky drátu je 12,1 mΩ. Výsledky ukazují, že tento svařovací odpor tvoří asi 17 % celkového stejnosměrného odporu.

AC odpor ACR má kožní efekt a efekt přiblížení, což způsobí zvýšení ACR s frekvencí; při aplikaci obecné indukčnosti, protože AC složka je mnohem nižší než DC složka, není vliv způsobený ACR zřejmý; ale při nízké zátěži, Protože stejnosměrná složka je snížena, nelze ztráty způsobené ACR ignorovat. Kožní efekt znamená, že za podmínek střídavého proudu je rozložení proudu uvnitř vodiče nerovnoměrné a soustředěné na povrchu drátu, což má za následek zmenšení ekvivalentní plochy průřezu drátu, což zase zvyšuje ekvivalentní odpor drátu s frekvence. Kromě toho ve vinutí drátu sousední dráty způsobí sčítání a odečítání magnetických polí v důsledku proudu, takže proud se soustředí na povrch přiléhající k drátu (nebo na nejvzdálenější povrch, v závislosti na směru proudu). ), což také způsobuje ekvivalentní zachycení drátu. Jev, že se plocha zmenšuje a ekvivalentní odpor se zvětšuje, je tzv. proximity efekt; v indukční aplikaci vícevrstvého vinutí je efekt přiblížení ještě zřetelnější.

8

Obrázek 8 ukazuje vztah mezi střídavým odporem a frekvencí drátově vinuté tlumivky SMD NR4018T220M. Při frekvenci 1kHz je odpor asi 360mΩ; při 100 kHz odpor stoupne na 775 mΩ; při 10MHz se hodnota odporu blíží 160Ω. Při odhadu ztráty mědi musí výpočet vzít v úvahu ACR způsobenou účinky kůže a blízkosti a upravit ji na vzorec (3).

4. Saturační proud (ISAT)

Saturační proud ISAT je obecně předpětí označený, když je hodnota indukčnosti zeslabena, jako je 10 %, 30 % nebo 40 %. U feritu se vzduchovou mezerou, protože jeho charakteristika saturačního proudu je velmi rychlá, není velký rozdíl mezi 10 % a 40 %. Viz obrázek 4. Pokud se však jedná o jádro ze železného prášku (jako je lisovaný induktor), je saturační křivka relativně jemná, jak je znázorněno na obrázku 9, předpětí při 10 % nebo 40 % útlumu indukčnosti je mnohem větší. různé, takže hodnota saturačního proudu bude diskutována samostatně pro dva typy železných jader následovně.

Pro ferit se vzduchovou mezerou je rozumné použít ISAT jako horní hranici maximálního indukčního proudu pro obvodové aplikace. Pokud se však jedná o jádro z železného prášku, kvůli pomalé saturační charakteristice nenastane žádný problém, i když maximální proud aplikačního obvodu překročí ISAT. Proto je tato charakteristika železného jádra nejvhodnější pro aplikace spínacích měničů. Při velkém zatížení, ačkoli je hodnota indukčnosti induktoru nízká, jak je znázorněno na obrázku 9, je faktor zvlnění proudu vysoký, ale tolerance proudu proudového kondenzátoru je vysoká, takže to nebude problém. Při mírném zatížení je hodnota indukčnosti induktoru větší, což pomáhá snížit zvlnění proudu induktoru, a tím snížit ztráty železa. Obrázek 9 porovnává křivku saturačního proudu vinutého feritu SLF7055T1R5N společnosti TDK a induktoru SPM6530T1R5M s jádrem z lisovaného železa při stejné nominální hodnotě indukčnosti.

9

Obrázek 9. Křivka saturačního proudu vinutého feritu a lisovaného železného prášku při stejné jmenovité hodnotě indukčnosti

5. Jmenovitý proud (IDC)

Hodnota IDC je stejnosměrná odchylka, když teplota induktoru stoupne na Tr˚C. Specifikace také uvádějí jeho hodnotu stejnosměrného odporu RDC při 20˚C. Podle teplotního koeficientu měděného drátu je asi 3 930 ppm, když teplota Tr stoupá, jeho hodnota odporu je RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) a jeho spotřeba je PCU = I2DCxRDC. Tato ztráta mědi se rozptýlí na povrchu induktoru a lze vypočítat tepelný odpor induktoru ΘTH:

(2)

Tabulka 2 odkazuje na datový list řady TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) a vypočítává tepelný odpor při nárůstu teploty o 40˚C. Je zřejmé, že pro induktory stejné řady a velikosti je vypočtený tepelný odpor téměř stejný kvůli stejné ploše rozptylu povrchového tepla; jinými slovy, lze odhadnout jmenovitý proud IDC různých induktorů. Různé řady (balení) induktorů mají různé tepelné odpory. Tabulka 3 porovnává tepelný odpor tlumivek řady TDK VLS6045EX (polostíněné) a řady SPM6530 (lisované). Čím větší je tepelný odpor, tím vyšší je nárůst teploty generovaný, když indukčnost protéká zatěžovacím proudem; jinak tím nižší.

(2)

Tabulka 2. Tepelný odpor induktorů řady VLS6045EX při nárůstu teploty o 40˚C

Z tabulky 3 je vidět, že i když je velikost induktorů podobná, tepelný odpor lisovaných induktorů je nízký, to znamená, že odvod tepla je lepší.

(3)

Tabulka 3. Porovnání tepelného odporu různých obalových induktorů.

6. Ztráta jádra

Ztráta jádra, označovaná jako ztráta železa, je způsobena hlavně ztrátou vířivých proudů a ztrátou hystereze. Velikost ztráty vířivými proudy závisí hlavně na tom, zda je materiál jádra snadno „vodivý“; pokud je vodivost vysoká, to znamená, že měrný odpor je nízký, ztráta vířivými proudy je vysoká, a pokud je měrný odpor feritu vysoký, je ztráta vířivými proudy relativně nízká. Ztráta vířivých proudů také souvisí s frekvencí. Čím vyšší je frekvence, tím větší je ztráta vířivými proudy. Proto materiál jádra bude určovat správnou pracovní frekvenci jádra. Obecně řečeno, pracovní frekvence jádra železného prášku může dosáhnout 1 MHz a pracovní frekvence feritu může dosáhnout 10 MHz. Pokud provozní frekvence překročí tuto frekvenci, ztráta vířivými proudy se rychle zvýší a teplota železného jádra se také zvýší. S rychlým rozvojem materiálů železných jader by však železná jádra s vyššími pracovními frekvencemi měla být hned za rohem.

Další ztrátou železa je ztráta hystereze, která je úměrná ploše uzavřené hysterezní křivkou, která souvisí s amplitudou kolísání střídavé složky proudu; čím větší je výkyv AC, tím větší je ztráta hystereze.

V ekvivalentním obvodu induktoru se k vyjádření ztráty železa často používá rezistor zapojený paralelně s induktorem. Když je frekvence rovna SRF, indukční reaktance a kapacitní reaktance se vyruší a ekvivalentní reaktance je nulová. V tomto okamžiku je impedance induktoru ekvivalentní ztrátovému odporu železa v sérii s odporem vinutí a ztrátový odpor železa je mnohem větší než odpor vinutí, takže impedance na SRF je přibližně stejná jako ztrátový odpor železa. Vezmeme-li jako příklad nízkonapěťovou tlumivku, její ztrátový odpor železa je asi 20 kΩ. Pokud je efektivní hodnota napětí na obou koncích induktoru odhadnuta na 5 V, jeho ztráta železa je asi 1,25 mW, což také ukazuje, že čím větší je ztrátový odpor železa, tím lépe.

7. Konstrukce štítu

Struktura obalu feritových induktorů zahrnuje nestíněné, polostíněné magnetickým lepidlem a stíněné, přičemž v obou z nich je značná vzduchová mezera. Je zřejmé, že vzduchová mezera bude mít magnetický únik a v nejhorším případě bude rušit okolní malé signálové obvody, nebo pokud je v blízkosti magnetický materiál, změní se i jeho indukčnost. Další obalovou strukturou je lisovaný induktor železného prášku. Protože uvnitř induktoru není žádná mezera a struktura vinutí je pevná, problém rozptylu magnetického pole je relativně malý. Obrázek 10 znázorňuje použití funkce FFT osciloskopu RTO 1004 pro měření velikosti únikového magnetického pole ve výšce 3 mm nad a na straně vyražené induktoru. Tabulka 4 uvádí srovnání svodového magnetického pole různých induktorů struktury pouzdra. Je vidět, že nestíněné induktory mají nejzávažnější magnetický únik; lisované induktory mají nejmenší magnetický únik a vykazují nejlepší účinek magnetického stínění. . Rozdíl ve velikosti svodového magnetického pole induktorů těchto dvou struktur je asi 14 dB, což je téměř 5krát.

10

Obrázek 10. Velikost únikového magnetického pole měřená ve 3 mm nad a na straně vyraženého induktoru

(4)

Tabulka 4. Porovnání rozptylového magnetického pole různých induktorů struktury pouzdra

8. spojka

V některých aplikacích je někdy na desce plošných spojů více sad stejnosměrných měničů, které jsou obvykle uspořádány vedle sebe a jejich odpovídající induktory jsou také uspořádány vedle sebe. Pokud použijete nestíněný nebo polostíněný typ s magnetickým lepidlem Induktory mohou být vzájemně propojeny, aby se vytvořilo rušení EMI. Proto se při umístění induktoru doporučuje nejprve označit polaritu induktoru a připojit počáteční a vinutý bod nejvnitřnější vrstvy induktoru se spínacím napětím převodníku, jako je VSW buck převodníku, což je pohyblivý bod. Výstupní svorka je připojena k výstupnímu kondenzátoru, který je statickým bodem; vinutí měděného drátu tedy tvoří určitý stupeň stínění elektrického pole. V uspořádání zapojení multiplexeru pomáhá fixace polarity indukčnosti fixovat velikost vzájemné indukčnosti a vyhnout se některým neočekávaným problémům s EMI.

Aplikace:

Předchozí kapitola pojednávala o materiálu jádra, struktuře pouzdra a důležitých elektrických charakteristikách induktoru. Tato kapitola vysvětlí, jak vybrat vhodnou hodnotu indukčnosti buck převodníku a úvahy pro výběr komerčně dostupného induktoru.

Jak ukazuje rovnice (5), hodnota induktoru a spínací frekvence převodníku ovlivní zvlněný proud induktoru (ΔiL). Zvlněný proud induktoru bude protékat výstupním kondenzátorem a ovlivňovat zvlnění proudu výstupního kondenzátoru. Proto ovlivní výběr výstupního kondenzátoru a dále ovlivní velikost zvlnění výstupního napětí. Kromě toho hodnota indukčnosti a hodnota výstupní kapacity také ovlivní návrh zpětné vazby systému a dynamickou odezvu zátěže. Volba větší hodnoty indukčnosti má menší proudové namáhání kondenzátoru a je také prospěšná pro snížení zvlnění výstupního napětí a může uložit více energie. Větší hodnota indukčnosti však indikuje větší objem, tedy vyšší cenu. Proto je při návrhu převodníku velmi důležitý návrh hodnoty indukčnosti.

(5)

Ze vzorce (5) je vidět, že když je mezera mezi vstupním napětím a výstupním napětím větší, zvlněný proud induktoru bude větší, což je nejhorší případ konstrukce induktoru. Ve spojení s další indukční analýzou by měl být návrhový bod indukčnosti redukčního měniče obvykle zvolen za podmínek maximálního vstupního napětí a plného zatížení.

Při návrhu hodnoty indukčnosti je nutné provést kompromis mezi zvlněným proudem induktoru a velikostí induktoru a zde je definován faktor zvlnění proudu (faktor zvlnění; γ) jako ve vzorci (6).

(6)

Dosazením vzorce (6) do vzorce (5) lze hodnotu indukčnosti vyjádřit vzorcem (7).

(7)

Podle vzorce (7), když je rozdíl mezi vstupním a výstupním napětím větší, lze hodnotu γ zvolit větší; naopak, pokud jsou vstupní a výstupní napětí blíže, musí být návrh hodnoty γ menší. Aby bylo možné vybrat mezi zvlněným proudem induktoru a velikostí, podle tradiční hodnoty zkušenosti s návrhem je γ obvykle 0,2 až 0,5. Následuje příklad RT7276 pro ilustraci výpočtu indukčnosti a výběru komerčně dostupných induktorů.

Příklad návrhu: Navrženo s pokročilým synchronním usměrňovacím snižujícím měničem RT7276 s pokročilou konstantní dobou zapnutí (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), jeho spínací frekvence je 700 kHz, vstupní napětí je 4,5 V až 18 V a výstupní napětí je 1,05 V . Proud při plné zátěži je 3A. Jak je uvedeno výše, hodnotu indukčnosti je nutné navrhnout za podmínek maximálního vstupního napětí 18V a plné zátěže 3A, hodnota γ se bere jako 0,35 a výše uvedená hodnota se dosadí do rovnice (7), indukčnost hodnota je

Použijte induktor s konvenční nominální hodnotou indukčnosti 1,5 µH. Dosaďte vzorec (5) pro výpočet zvlněného proudu induktoru následovně.

Proto je špičkový proud induktoru

A efektivní hodnota indukčního proudu (IRMS) je

Protože složka zvlnění induktoru je malá, efektivní hodnota proudu induktoru je hlavně jeho stejnosměrná složka a tato efektivní hodnota se používá jako základ pro výběr jmenovitého proudu induktoru IDC. S 80% snížením (derating) designem jsou požadavky na indukčnost:

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

Tabulka 5 uvádí dostupné induktory různých řad TDK, které jsou podobné velikosti, ale liší se strukturou balení. Z tabulky je vidět, že saturační proud a jmenovitý proud raženého induktoru (SPM6530T-1R5M) jsou velké a tepelný odpor je malý a odvod tepla je dobrý. Kromě toho, podle diskuse v předchozí kapitole, je základním materiálem lisovaného induktoru jádro z železného prášku, takže je porovnáno s feritovým jádrem polostíněných (VLS6045EX-1R5N) a stíněných (SLF7055T-1R5N) induktorů s magnetickým lepidlem. , Má dobré vlastnosti DC zkreslení. Obrázek 11 ukazuje srovnání účinnosti různých induktorů aplikovaných na pokročilý synchronní sestupný převodník s konstantní dobou zapnutí RT7276. Výsledky ukazují, že rozdíl účinnosti mezi těmito třemi není významný. Pokud uvažujete o rozptylu tepla, charakteristikách stejnosměrného zkreslení a rozptylu magnetického pole, doporučuje se použít induktory SPM6530T-1R5M.

(5)

Tabulka 5. Porovnání indukčností různých řad TDK

11

Obrázek 11. Porovnání účinnosti měniče s různými induktory

Pokud zvolíte stejnou strukturu pouzdra a hodnotu indukčnosti, ale menší velikosti induktorů, jako je SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), jeho velikost je sice malá, ale stejnosměrný odpor RDC (44,5 mΩ) a tepelný odpor ΘTH ( 51˚C) /W) Větší. Pro měniče stejných specifikací je také efektivní hodnota proudu tolerovaného induktorem stejná. Je zřejmé, že stejnosměrný odpor sníží účinnost při velkém zatížení. Navíc velký tepelný odpor znamená špatný odvod tepla. Při výběru induktoru je proto nutné zvážit nejen výhody zmenšené velikosti, ale také zhodnotit její doprovodné nedostatky.

Na závěr

Indukčnost je jednou z běžně používaných pasivních součástek ve spínaných výkonových měničích, kterou lze využít pro ukládání a filtrování energie. Při návrhu obvodů je však třeba věnovat pozornost nejen hodnotě indukčnosti, ale i dalším parametrům, jako je střídavý odpor a hodnota Q, tolerance proudu, saturace železného jádra a struktura pouzdra atd. vzít v úvahu při výběru induktoru. . Tyto parametry obvykle souvisí s materiálem jádra, výrobním procesem a velikostí a cenou. Proto tento článek představuje charakteristiky různých materiálů železného jádra a jak vybrat vhodnou indukčnost jako referenci pro návrh napájecího zdroje.