124

novice

Povzetek

Induktorji so zelo pomembni sestavni deli preklopnih pretvornikov, kot so filtri za shranjevanje energije in moči. Obstaja veliko vrst induktorjev, na primer za različne namene (od nizke frekvence do visoke frekvence) ali različnih jedrnih materialov, ki vplivajo na značilnosti induktorja itd. Induktorji, ki se uporabljajo v stikalnih pretvornikih, so visokofrekvenčne magnetne komponente. Vendar so predstavljene značilnosti in teorije zaradi različnih dejavnikov, kot so materiali, pogoji delovanja (kot sta napetost in tok) in temperatura okolice, precej različne. Zato je treba pri zasnovi vezja poleg osnovnega parametra vrednosti induktivnosti še vedno upoštevati razmerje med impedanco induktorja in izmeničnim uporom in frekvenco, izgubo jedra in značilnostmi nasičenega toka itd. Ta članek bo predstavil več pomembnih materialov za jedro induktorja in njihove značilnosti ter vodil elektroenergetike, da izberejo komercialno dostopne standardne induktorje.

Predgovor

Induktor je elektromagnetna indukcijska komponenta, ki nastane z navijanjem določenega števila tuljav (tuljav) na klekljanje ali jedro z izolirano žico. Ta tuljava se imenuje induktivna tuljava ali induktor. V skladu z načelom elektromagnetne indukcije, ko se tuljava in magnetno polje premikata med seboj ali tuljava skozi izmenični tok generira izmenično magnetno polje, se ustvari inducirana napetost, da se upre spremembi prvotnega magnetnega polja, in ta značilnost zadrževanja trenutne spremembe se imenuje induktivnost.

Formula vrednosti induktivnosti je enaka formuli (1), ki je sorazmerna magnetni prepustnosti, kvadratu navitja N in ekvivalentni površini preseka magnetnega vezja Ae in je obratno sorazmerna z ekvivalentno dolžino magnetnega vezja le . Obstaja veliko vrst induktivnosti, od katerih je vsaka primerna za različne namene; induktivnost je povezana z obliko, velikostjo, načinom navijanja, številom obratov in vrsto vmesnega magnetnega materiala.

图片1

(1)

Odvisno od oblike železovega jedra vključuje induktivnost toroidno, E jedro in boben; glede materiala jedra iz železa obstajajo predvsem keramična jedra in dva mehka magnetna tipa. So feritni in kovinski prah. Glede na strukturo ali način pakiranja obstajajo žične navitke, večplastne in oblikovane, žična rana pa ima neoklopljeno in polovico magnetnega lepila Zaščiteno (pol-zaščiteno) in oklopljeno (oklopljeno) itd.

Induktor deluje kot kratek stik v enosmernem toku in predstavlja visoko impedanco do izmeničnega toka. Osnovne uporabe vezij vključujejo dušenje, filtriranje, uravnavanje in shranjevanje energije. Pri uporabi stikalnega pretvornika je induktor najpomembnejša komponenta za shranjevanje energije in tvori nizkoprepustni filter z izhodnim kondenzatorjem za zmanjšanje valovanja izhodne napetosti, zato ima tudi pomembno vlogo pri filtriranju.

Ta članek bo predstavil različne jedrne materiale induktorjev in njihove značilnosti ter nekatere električne značilnosti induktorjev kot pomembno referenčno oceno pri izbiri induktorjev med načrtovanjem vezja. V primeru uporabe bomo s praktičnimi primeri predstavili, kako izračunati vrednost induktivnosti in kako izbrati tržno na voljo standardni induktor.

Vrsta materiala jedra

Induktorji, ki se uporabljajo v stikalnih pretvornikih, so visokofrekvenčne magnetne komponente. Material jedra v središču najbolj vpliva na značilnosti induktorja, kot so impedanca in frekvenca, vrednost in frekvenca induktivnosti ali značilnosti nasičenja jedra. V nadaljevanju bomo predstavili primerjavo več običajnih materialov iz jedra železa in njihove lastnosti nasičenja kot pomemben referenčni element pri izbiri močnostnih induktorjev:

1. Keramično jedro

Keramično jedro je eden najpogostejših induktivnih materialov. Uporablja se predvsem za zagotavljanje nosilne konstrukcije, ki se uporablja pri navijanju tuljave. Imenuje se tudi "induktor zračnega jedra". Ker je uporabljeno železno jedro nemagnetni material z zelo nizkim temperaturnim koeficientom, je vrednost induktivnosti v območju delovne temperature zelo stabilna. Vendar pa je zaradi nemagnetnega materiala kot medija induktivnost zelo majhna, kar ni zelo primerno za uporabo pretvornikov moči.

2. Ferit

Feritno jedro, ki se uporablja v splošnih visokofrekvenčnih induktorjih, je feritna spojina, ki vsebuje nikelj-cink (NiZn) ali mangan-cink (MnZn), ki je mehak magnetni feromagnetni material z nizko koercitivnostjo. Slika 1 prikazuje krivuljo histereze (zanka BH) splošnega magnetnega jedra. Prisilna sila HC magnetnega materiala se imenuje tudi prisilna sila, kar pomeni, da ko se magnetni material namagneti do magnetne nasičenosti, se njegova magnetizacija (magnetizacija) zmanjša na nujno zahtevano jakost magnetnega polja v tistem času. Manjša prisilnost pomeni manjšo odpornost na razmagnetenje in tudi manjšo izgubo histereze.

Manganovo-cinkovi in ​​nikelj-cinkovi feriti imajo relativno visoko relativno prepustnost (μr), približno 1500-15000 oziroma 100-1000. Zaradi njihove velike magnetne prepustnosti je železovo jedro v določeni prostornini višje. Induktivnost. Pomanjkljivost pa je, da je njegov sprejemljiv nasičeni tok nizek in ko je železovo jedro nasičeno, bo magnetna prepustnost močno upadla. Glejte sliko 4 za trend upadanja magnetne prepustnosti feritnih in praškastih železnih jeder, ko je železovo jedro nasičeno. Primerjava. Pri uporabi v močnostnih induktorjih bo v glavnem magnetnem vezju ostala zračna reža, ki lahko zmanjša prepustnost, prepreči nasičenost in shrani več energije; ko je vključena zračna reža, je lahko enakovredna relativna prepustnost približno 20- Med 200. Ker lahko velika upornost samega materiala zmanjša izgubo, ki jo povzroča vrtinčni tok, je izguba pri visokih frekvencah manjša in je primernejša za visokofrekvenčni transformatorji, induktorji EMI filtra in induktorji za shranjevanje energije pretvornikov moči. Glede na delovno frekvenco je nikelj-cinkov ferit primeren za uporabo (> 1 MHz), mangan-cinkov ferit pa za nižje frekvenčne pasove (<2 MHz).

图片2         1

Slika 1. Krivulja histereze magnetnega jedra (BR: remanence; BSAT: gostota nasičenega magnetnega pretoka)

3. Železno jedro v prahu

Jedra v prahu so tudi mehko-magnetni feromagnetni materiali. Izdelane so iz zlitin železovega prahu iz različnih materialov ali samo iz železovega prahu. Formula vsebuje nemagnetne materiale z različnimi velikostmi delcev, zato je krivulja nasičenja razmeroma nežna. Jedro v prahu je večinoma toroidno. Slika 2 prikazuje jedro praškastega železa in njegov presek.

Običajna jedra v prahu vključujejo zlitine železo-nikelj-molibden (MPP), sendust (Sendust), železo-nikeljeve zlitine (visok pretok) in jedro železovega prahu (železov prah). Zaradi različnih komponent so tudi njegove značilnosti in cene različne, kar vpliva na izbiro induktorjev. V nadaljevanju bomo predstavili zgoraj omenjene vrste jeder in primerjali njihove značilnosti:

A. Zlitina železo-nikelj-molibden (MPP)

Fe-Ni-Mo zlitina je okrajšana kot MPP, kar je okrajšava prahu molipermaloja. Relativna prepustnost je približno 14-500, gostota nasičenega magnetnega pretoka pa približno 7500 Gauss (Gauss), kar je večja od nasičenosti magnetnega pretoka ferita (približno 4000-5000 Gauss). Mnogi ven. MPP ima najmanjše izgube železa in ima najboljšo temperaturno stabilnost med jedri v prahu. Ko zunanji enosmerni tok doseže nasičeni tok ISAT, se vrednost induktivnosti počasi zmanjšuje brez nenadnega slabljenja. MPP ima boljše zmogljivosti, vendar višje stroške in se običajno uporablja kot induktor moči in EMI filtriranje za pretvornike moči.

 

B. Sendust

Železno jedro iz železo-silicijeve-aluminijeve zlitine je jedro iz zlitine, sestavljeno iz železa, silicija in aluminija, z relativno magnetno prepustnostjo približno 26 do 125. Izguba železa je med jedrom železovega prahu in MPP ter zlitino železa in niklja . Gostota nasičenega magnetnega pretoka je večja od MPP, približno 10500 Gauss. Karakteristike temperaturne stabilnosti in nasičenega toka so nekoliko slabše od MPP in železo-nikljeve zlitine, vendar boljše od jedra železovega prahu in feritnega jedra, relativni stroški pa so cenejši od MPP in železo-nikljeve zlitine. Največ se uporablja v EMI filtriranju, vezjih za korekcijo faktorja moči (PFC) in močnostnih induktorjih preklopnih pretvornikov moči.

 

C. Železo-nikljeva zlitina (visok pretok)

Jedro železo-nikljeve zlitine je narejeno iz železa in niklja. Relativna magnetna prepustnost je približno 14-200. Izguba železa in temperaturna stabilnost sta med MPP in železo-silicijevo-aluminijevo zlitino. Jedro železo-nikljeve zlitine ima največjo gostoto nasičenega magnetnega pretoka, približno 15.000 Gaussov, in lahko prenese višje tokove pristranskosti enosmernega toka, njegove DC lastnosti prednapetosti pa so tudi boljše. Področje uporabe: Korekcija aktivnega faktorja moči, induktivnost akumulatorja energije, induktivnost filtra, visokofrekvenčni transformator povratnega pretvornika itd.

 

D. Železni prah

Jedro železovega prahu je narejeno iz visoko čistih delcev železovega prahu z zelo majhnimi delci, ki so med seboj izolirani. V proizvodnem procesu je razdeljena zračna reža. Poleg oblike obroča imajo običajne oblike jeder iz železovega prahu tudi vrste E in žigosanje. Relativna magnetna prepustnost jedra železovega prahu je približno 10 do 75, gostota magnetnega pretoka z visoko nasičenostjo pa približno 15000 Gaussov. Med jedri v prahu ima jedro železa v prahu največjo izgubo železa, a najnižje stroške.

Na sliki 3 so prikazane BH krivulje mangano-cinkovega ferita PC47 proizvajalca TDK in železnih jeder v prahu -52 in -2 proizvajalca MICROMETALS; relativna magnetna prepustnost mangan-cinkovega ferita je veliko večja kot pri jedrih v prahu in je nasičena. Tudi gostota magnetnega pretoka je zelo različna, ferit je približno 5000 Gauss in jedro železovega prahu več kot 10000 Gauss.

图片3   3

Slika 3. BH krivulja jeder mangan-cink-ferita in železa v prahu iz različnih materialov

 

Če povzamemo, so nasičenosti železovega jedra različne; ko bo presežen nasičeni tok, bo magnetna prepustnost feritnega jedra močno upadla, jedro železovega prahu pa se lahko počasi zmanjšuje. Slika 4 prikazuje značilnosti padca magnetne prepustnosti jedra v prahu z enako magnetno prepustnostjo in ferita z zračno režo pri različnih jakostih magnetnega polja. To pojasnjuje tudi induktivnost feritnega jedra, ker prepustnost strmo pade, ko je jedro nasičeno, kot je razvidno iz enačbe (1), povzroča tudi močan padec induktivnosti; medtem ko jedro v prahu z porazdeljeno zračno režo stopnja magnetne prepustnosti počasi upada, ko je železovo jedro nasičeno, zato induktivnost upada bolj nežno, to pomeni, da ima boljše lastnosti pristranskosti DC. Pri uporabi pretvornikov moči je ta značilnost zelo pomembna; če značilnost počasne nasičenosti induktorja ni dobra, se tok induktorja dvigne do nasičevalnega toka in nenaden padec induktivnosti povzroči, da se trenutna napetost preklopnega kristala močno dvigne, kar je enostavno povzročiti škodo.

图片3    4

Slika 4. Značilnosti padca magnetne prepustnosti jedra v prahu in jedra iz feritnega železa z zračno režo pod različno jakostjo magnetnega polja.

 

Električne značilnosti induktorja in struktura paketa

Pri načrtovanju stikalnega pretvornika in izbiri induktorja morajo biti vrednost induktivnosti L, impedanca Z, AC odpornost ACR in vrednost Q (faktor kakovosti), nazivni tok IDC in ISAT ter izguba jedra (izguba jedra) in druge pomembne električne značilnosti upoštevati. Poleg tega bo embalažna struktura induktorja vplivala na velikost magnetnega puščanja, kar posledično vpliva na EMI. V nadaljevanju bomo zgoraj omenjene značilnosti obravnavali ločeno kot razloge za izbiro induktorjev.

1. Vrednost induktivnosti (L)

Vrednost induktivnosti induktorja je najpomembnejši osnovni parameter pri zasnovi vezja, vendar je treba preveriti, ali je vrednost induktivnosti stabilna pri delovni frekvenci. Nazivna vrednost induktivnosti se običajno meri pri 100 kHz ali 1 MHz brez zunanje enosmerne pristranskosti. Da bi zagotovili možnost množične avtomatizirane proizvodnje, je toleranca induktorja običajno ± 20% (M) in ± 30% (N). Slika 5 je graf karakteristike induktivnosti-frekvence induktorja Taiyo Yuden NR4018T220M, izmerjen z merilnikom LCR Wayna Kerra. Kot je prikazano na sliki, je krivulja vrednosti induktivnosti pred 5 MHz razmeroma ravna in vrednost induktivnosti lahko skoraj štejemo za konstanto. V visokofrekvenčnem pasu zaradi resonance, ki jo ustvarjata parazitska kapacitivnost in induktivnost, se bo vrednost induktivnosti povečala. Ta resonančna frekvenca se imenuje lastna resonančna frekvenca (SRF), ki mora biti običajno veliko višja od delovne frekvence.

图片5  5

Slika 5, diagram merjenja karakteristik induktivnost-frekvenca Taiyo Yuden NR4018T220M

 

2. Impedanca (Z)

Kot je prikazano na sliki 6, je diagram impedance razviden tudi iz delovanja induktivnosti pri različnih frekvencah. Impedanca induktorja je približno sorazmerna s frekvenco (Z = 2πfL), zato bo večja frekvenca reaktanca veliko večja od AC-upora, zato se impedanca obnaša kot čista induktivnost (faza je 90˚). Pri visokih frekvencah je zaradi učinka parazitske kapacitivnosti vidna samoresonančna frekvenčna točka impedance. Po tej točki impedanca pade in postane kapacitivna, faza pa se postopoma spremeni na -90 ˚.

图片6  6

3. Vrednost Q in AC odpornost (ACR)

Vrednost Q v definiciji induktivnosti je razmerje med reaktanco in uporom, to je razmerje med namišljenim delom in realnim delom impedance, kot je v formuli (2).

图片7

(2)

Kjer je XL reaktanca induktorja, RL pa izmenični upor induktorja.

V nizkofrekvenčnem območju je izmenični upor večji od reaktanca, ki ga povzroči induktivnost, zato je njegova vrednost Q zelo nizka; s povečanjem frekvence reaktanca (približno 2πfL) postaja vedno večja, tudi če je odpornost zaradi učinka kože (učinek kože) in učinka bližine (bližine)) učinek vedno večji in vrednost Q še vedno narašča s frekvenco ; pri približevanju SRF se induktivna reaktanca postopoma izravna s kapacitivno reaktanco in vrednost Q postopoma postane manjša; ko SRF postane nič, ker sta induktivna reaktanca in kapacitivna reaktanca popolnoma enaki Izgineta. Slika 7 prikazuje razmerje med vrednostjo Q in frekvenco NR4018T220M, razmerje pa je v obliki obrnjenega zvona.

图片8  7

Slika 7. Razmerje med vrednostjo Q in frekvenco induktorja Taiyo Yuden NR4018T220M

V aplikacijskem frekvenčnem pasu induktivnosti je višja vrednost Q, boljša; to pomeni, da je njegova reaktanca veliko večja od AC odpornosti. Na splošno je najboljša vrednost Q nad 40, kar pomeni, da je kakovost induktorja dobra. Vendar pa se na splošno z naraščanjem pristranskosti enosmernega toka vrednost induktivnosti zmanjša in tudi vrednost Q se zmanjša. Če se uporablja ravna emajlirana žica ali večvrstna emajlirana žica, se lahko zmanjša učinek kože, to je odpornost na izmenični tok, poveča pa tudi vrednost Q induktorja.

DC odpornost DCR na splošno velja za enosmerno odpornost bakrene žice, upor pa lahko izračunamo glede na premer in dolžino žice. Vendar pa bo večina nizkonapetostnih induktorjev SMD uporabila ultrazvočno varjenje za izdelavo bakrene pločevine SMD na navitnem terminalu. Ker pa bakrena žica ni dolga in vrednost upora ni visoka, varilni odpor pogosto predstavlja znaten delež celotne enosmerne odpornosti. Če za primer vzamemo TDK-jevo žico SMD induktorja CLF6045NIT-1R5N, je izmerjena enosmerna upornost 14,6,6Ω, enosmerna upornost, izračunana na podlagi premera in dolžine žice, pa 12,1mΩ. Rezultati kažejo, da ta varilna odpornost predstavlja približno 17% celotne odpornosti na enosmerni tok.

AC odpornost ACR ima učinek kože in bližine, zaradi česar se bo ACR s pogostnostjo povečeval; pri uporabi splošne induktivnosti, ker je AC komponenta veliko nižja od DC komponente, vpliv ACR ni očiten; toda pri majhni obremenitvi, ker je enosmerna komponenta zmanjšana, izgube zaradi ACR ni mogoče prezreti. Učinek kože pomeni, da je v pogojih izmeničnega toka porazdelitev toka znotraj vodnika neenakomerna in koncentrirana na površini žice, kar povzroči zmanjšanje ekvivalentne površine preseka žice, kar posledično poveča ekvivalentno upornost žice z frekvenca. Poleg tega bodo v navitju žice sosednje žice povzročile seštevanje in odštevanje magnetnih polj zaradi toka, tako da bo tok koncentriran na površini, ki meji na žico (ali na najbolj oddaljeni površini, odvisno od smeri toka ), kar povzroči tudi enakovredno prestrezanje žice. Pojav, da se površina zmanjša in enakovreden upor poveča, je tako imenovani učinek bližine; pri uporabi induktivnosti večplastnega navitja je učinek bližine še bolj očiten.

图片9  8

Slika 8 prikazuje razmerje med odpornostjo na izmenični tok in frekvenco žično navitega SMD induktorja NR4018T220M. Pri frekvenci 1kHz je upor približno 360mΩ; pri 100kHz upor naraste na 775mΩ; pri 10MHz je vrednost upora blizu 160Ω. Pri ocenjevanju izgube bakra mora izračun upoštevati ACR, ki ga povzročajo učinki kože in bližine, ter ga spremeniti v formulo (3).

4. Saturacijski tok (ISAT)

Tok nasičenja ISAT je na splošno pristranski tok, označen, ko je vrednost induktivnosti oslabljena, na primer 10%, 30% ali 40%. Ker je ferit zračne reže zelo hiter, ni velike razlike med 10% in 40%. Glejte sliko 4. Če pa gre za jedro iz železovega prahu (na primer žigosani induktor), je krivulja nasičenja razmeroma nežna, kot je prikazano na sliki 9, je prednapetostni tok pri 10% ali 40% dušenja induktivnosti precej vrednosti nasičenja bodo obravnavane ločeno za obe vrsti železnih jeder, kot sledi.

Za ferit z zračno režo je smiselno uporabiti ISAT kot zgornjo mejo največjega toka induktorja za vezje. Če pa gre za jedro železovega prahu, zaradi značilnosti počasne nasičenosti ne bo težav, tudi če največji tok aplikacijskega vezja preseže ISAT. Zato je ta značilnost železnega jedra najprimernejša za uporabo stikalnih pretvornikov. Čeprav je vrednost induktivnosti induktorja pri močni obremenitvi nizka, kot je prikazano na sliki 9, je trenutni faktor valovanja visok, trenutna toleranca toka kondenzatorja pa velika, zato ne bo problem. Pri lahki obremenitvi je vrednost induktivnosti induktorja večja, kar pomaga zmanjšati valovni tok induktorja in s tem zmanjša izgubo železa. Slika 9 primerja krivuljo nasičenega toka navitega ferita SLF7055T1R5N TDK in vtisnjenega jedra v jedru železa v prahu SPM6530T1R5M pod isto nominalno vrednostjo induktivnosti.

图片9   9

Slika 9. Krivulja nasičenega toka navitega ferita in žiganega železovega jedra v prahu pod enako nominalno vrednostjo induktivnosti

5. Nazivni tok (IDC)

Vrednost IDC je prednapetost enosmernega toka, ko se temperatura induktorja dvigne na Tr˚C. V specifikacijah je navedena tudi njegova enosmerna vrednost upora RDC pri 20 ° C. Glede na temperaturni koeficient bakrene žice je približno 3.930 ppm, ko temperatura Tr naraste, je njegova vrednost upora RDC_Tr = RDC (1 + 0,00393Tr), njegova poraba energije pa PCU = I2DCxRDC. Ta izguba bakra se razprši na površini induktorja in izračunamo lahko toplotno upornost ΘTH induktorja:

图片13(2)

Tabela 2 se nanaša na podatkovni list serije TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) in izračuna toplotno upornost pri dvigu temperature 40 ° C. Očitno je pri induktorjih enake serije in velikosti izračunana toplotna upornost skoraj enaka zaradi enakega površinskega odvajanja toplote; z drugimi besedami, lahko ocenimo nazivni tok IDC različnih induktorjev. Različne serije (paketi) induktorjev imajo različno toplotno upornost. Tabela 3 primerja toplotno upornost induktorjev serije TDK VLS6045EX (pol-zaščitena) in serije SPM6530 (oblikovana). Večja kot je toplotna upornost, večji dvig temperature nastane, ko induktivnost teče skozi tok obremenitve; sicer pa spodnja.

图片14  (2)

Tabela 2. Toplotna odpornost induktorjev serije VLS6045EX pri dvigu temperature 40˚C

Iz tabele 3 je razvidno, da tudi če je velikost induktorjev podobna, je toplotna upornost žigosanih induktorjev majhna, to je odvajanje toplote boljše.

图片15  (3)

Tabela 3. Primerjava toplotne odpornosti različnih paketnih induktorjev.

 

6. Izguba jedra

Izguba jedra, ki se imenuje izguba železa, je predvsem posledica izgube vrtinčnega toka in izgube histereze. Velikost izgube vrtinčnega toka je v glavnem odvisna od tega, ali je jedro enostavno "voditi"; če je prevodnost velika, to je upornost majhna, izguba vrtinčnega toka velika, in če je upor ferita velika, je izguba vrtinčnega toka razmeroma majhna. Izguba vrtinčnega toka je povezana tudi s frekvenco. Večja kot je frekvenca, večja je izguba vrtinčnega toka. Zato bo material jedra določil pravilno delovno frekvenco jedra. Na splošno lahko delovna frekvenca jedra železovega prahu doseže 1MHz, delovna frekvenca ferita pa 10MHz. Če delovna frekvenca preseže to frekvenco, se izguba vrtinčnega toka hitro poveča in poveča se tudi temperatura jedra železa. Vendar pa bi morali biti s hitrim razvojem materialov iz jedra železa tik pred vrati.

Druga izguba železa je izguba zaradi histereze, ki je sorazmerna s površino, zaprto s krivuljo histereze, ki je povezana z amplitudo nihanja AC komponente toka; večji kot je nihanje AC, večja je izguba histereze.

V enakovrednem vezju induktorja se za izražanje izgube železa pogosto uporablja upor, povezan vzporedno z induktorjem. Ko je frekvenca enaka SRF, se induktivna reaktanca in kapacitivna reaktanca izničita in enakovredna reaktanca je enaka nič. Trenutno je impedanca induktorja enakovredna odpornosti na izgubo železa v zaporedju z uporom navijanja, odpornost na izgubo železa pa je veliko večja od upora navijanja, zato je impedanca pri SRF približno enaka odpornosti na izgubo železa. Če za primer vzamemo nizkonapetostni induktor, je njegova odpornost na izgubo železa približno 20kΩ. Če je efektivna vrednost napetosti na obeh koncih induktorja 5V, je njegova izguba železa približno 1,25mW, kar tudi kaže, da večja kot je odpornost na izgubo železa, tem bolje.

7. Struktura ščita

Embalažna struktura feritnih induktorjev vključuje ne-zaščitene, pol-zaščitene z magnetnim lepilom in zaščitene, pri obeh pa je precejšnja zračna reža. Očitno bo zračna reža magnetno puščala, v najslabšem primeru pa bo motila okoliška majhna signalna vezja, ali če je v bližini magnetni material, se bo spremenila tudi njegova induktivnost. Druga embalažna struktura je vtisnjen železov induktor v prahu. Ker znotraj induktorja ni reže in je navitna konstrukcija trdna, je problem odvajanja magnetnega polja razmeroma majhen. Slika 10 je uporaba funkcije FFT osciloskopa RTO 1004 za merjenje velikosti magnetnega polja puščanja pri 3 mm nad in na strani odtisnjenega induktorja. V tabeli 4 je navedena primerjava magnetnega polja puščanja različnih induktorjev strukture paketa. Vidimo lahko, da imajo neoklopljeni induktorji najresnejše magnetno puščanje; žigosani induktorji imajo najmanjše magnetno puščanje in kažejo najboljši magnetni zaščitni učinek. . Razlika v velikosti magnetnega polja puščanja induktorjev teh dveh struktur je približno 14dB, kar je skoraj 5-krat.

10图片16

Slika 10. Velikost magnetnega polja puščanja, izmerjena na 3 mm nad in na strani odtisnjenega induktorja

图片17 (4)

Tabela 4. Primerjava magnetnega polja puščanja različnih induktorjev strukture paketa

8. sklopka

V nekaterih aplikacijah je včasih na PCB več sklopov enosmernih pretvornikov, ki so običajno razporejeni drug ob drugem, njihovi ustrezni induktorji pa tudi drug ob drugem. Če uporabljate nezaščiten ali pol-zaščiten tip z magnetnim lepilom, so lahko induktorji med seboj povezani, da tvorijo EMI motnje. Zato je pri namestitvi induktorja priporočljivo najprej označiti polarnost induktorja in priključno točko in navitje najbolj notranje plasti induktorja priključiti na preklopno napetost pretvornika, kot je VSW pretvornika, ki je gibljiva točka. Izhodni priključek je povezan z izhodnim kondenzatorjem, ki je statična točka; navitje iz bakrene žice torej tvori določeno stopnjo zaščite pred električnim poljem. Pri ožičenju multiplekserja fiksiranje polarnosti induktivnosti pomaga določiti velikost medsebojne induktivnosti in se izogniti nepričakovanim težavam z EMI.

Aplikacije:

Prejšnje poglavje je obravnavalo material jedra, strukturo embalaže in pomembne električne značilnosti induktorja. To poglavje bo razložilo, kako izbrati primerno vrednost induktivnosti pretvornika in premisleke pri izbiri komercialno dostopnega induktorja.

Kot je prikazano v enačbi (5), bosta vrednost induktorja in preklopna frekvenca pretvornika vplivala na valovni tok induktorja (ΔiL). Valovit tok induktorja bo tekel skozi izhodni kondenzator in vplival na valovni tok izhodnega kondenzatorja. Zato bo to vplivalo na izbiro izhodnega kondenzatorja in nadalje vplivalo na velikost valovanja izhodne napetosti. Poleg tega bosta vrednost induktivnosti in vrednost izhodne kapacitivnosti vplivali tudi na zasnovo povratnih informacij sistema in dinamični odziv obremenitve. Izbira večje vrednosti induktivnosti ima manjši trenutni stres na kondenzatorju, prav tako pa je koristno zmanjšati valovanje izhodne napetosti in lahko shrani več energije. Vendar večja vrednost induktivnosti kaže na večji volumen, to je na višje stroške. Zato je pri načrtovanju pretvornika zelo pomembna zasnova vrednosti induktivnosti.

图片18        (5)

Iz formule (5) je razvidno, da ko bo razmik med vhodno napetostjo in izhodno napetostjo večji, bo valovni tok induktorja večji, kar je najslabše stanje konstrukcije induktorja. Skupaj z drugimi induktivnimi analizami je treba običajno določiti točko zasnove induktivnosti padajočega pretvornika pod pogoji največje vhodne napetosti in polne obremenitve.

Pri načrtovanju vrednosti induktivnosti je treba narediti kompromis med valovnim tokom induktorja in velikostjo induktorja, tu pa je definiran faktor valovalnega toka (faktor valovitega toka; γ), kot v formuli (6).

图片19(6)

Če formulo (6) nadomestimo s formulo (5), lahko vrednost induktivnosti izrazimo kot formulo (7).

图片20  (7)

V skladu s formulo (7), ko je razlika med vhodno in izhodno napetostjo večja, lahko vrednost γ izberemo večjo; nasprotno, če sta vhodna in izhodna napetost bližje, mora biti zasnova vrednosti γ manjša. Da bi lahko izbirali med valovitim tokom induktorja in velikostjo, je γ običajno od 0,2 do 0,5 glede na tradicionalno vrednost konstrukcijske izkušnje. Sledi primer RT7276 za ponazoritev izračuna induktivnosti in izbire komercialno dostopnih induktorjev.

Primer zasnove: zasnovan z naprednim konstantnim sprotnim pretvornikom (Advanced Constant On-Time; ACOT ™) RT7276 s sinhronim usmerjevalnikom, njegova frekvenca preklopa je 700 kHz, vhodna napetost je 4,5 V do 18 V, izhodna napetost pa 1,05 V . Tok polne obremenitve je 3A. Kot je bilo omenjeno zgoraj, mora biti vrednost induktivnosti načrtovana v pogojih največje vhodne napetosti 18V in polne obremenitve 3A, vrednost γ je 0,35, zgornja vrednost pa je nadomeščena v enačbo (7), induktivnost vrednost je

图片21

 

Uporabite induktor s konvencionalno nominalno vrednostjo induktivnosti 1,5 µH. Nadomestite formulo (5) za izračun valovitega toka induktorja, kot sledi.

图片22

Zato je največji tok induktorja

图片23

In efektivna vrednost induktorskega toka (IRMS) je

图片24

Ker je komponenta valovanja induktorja majhna, je efektivna vrednost toka induktorja večinoma njegova enosmerna komponenta, ta efektivna vrednost pa je osnova za izbiro IDC nazivnega toka induktorja. Pri 80% zmanjšanju (zmanjševanju) so zahteve po induktivnosti:

 

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

 

V tabeli 5 so navedeni razpoložljivi induktorji različnih serij TDK, ki so si podobni po velikosti, a se razlikujejo po strukturi paketa. Iz tabele je razvidno, da sta nasičevalni tok in nazivni tok odtisnjenega induktorja (SPM6530T-1R5M) velika, toplotna upornost je majhna in odvajanje toplote dobro. Poleg tega je v skladu z razpravo v prejšnjem poglavju material jedra žigosanega induktorja jedro železovega prahu, zato ga primerjamo s feritnim jedrom pol-zaščitenih (VLS6045EX-1R5N) in zaščitenih (SLF7055T-1R5N) induktorjev z magnetnim lepilom. , Ima dobre lastnosti pristranskosti DC. Slika 11 prikazuje primerjavo učinkovitosti različnih induktorjev, ki se uporabljajo za napredni pretvornik s konstantnim sprotnim sinhronim popravkom RT7276. Rezultati kažejo, da razlika v učinkovitosti med tremi ni pomembna. Če upoštevate odvajanje toplote, lastnosti pristranskosti enosmernega toka in težave z odvajanjem magnetnega polja, je priporočljivo uporabiti induktorje SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

Tabela 5. Primerjava induktivnosti različnih serij TDK

图片26 11

Slika 11. Primerjava učinkovitosti pretvornika z različnimi induktorji

Če izberete enako strukturo embalaže in vrednost induktivnosti, toda induktorji manjše velikosti, kot je SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 mm), čeprav je njegova velikost majhna, vendar enosmerni upor RDC (44,5 mΩ) in toplotni upor ΘTH ( 51˚C) / W) Večji. Pri pretvornikih enakih specifikacij je tudi efektivna vrednost toka, ki ga dopušča induktor, enaka. Očitno bo enosmerni upor zmanjšal učinkovitost pri močni obremenitvi. Poleg tega velika toplotna upornost pomeni slabo odvajanje toplote. Zato pri izbiri induktorja ni treba upoštevati le prednosti zmanjšane velikosti, temveč tudi oceniti njene spremljajoče pomanjkljivosti.

 

V zaključku

Induktivnost je ena najpogosteje uporabljenih pasivnih komponent v stikalnih pretvornikih moči, ki se lahko uporablja za shranjevanje in filtriranje energije. Vendar pri načrtovanju vezij ni treba biti pozoren le na vrednost induktivnosti, temveč so vsi drugi parametri, vključno z odpornostjo na izmenični tok in vrednostjo Q, toleranco toka, nasičenostjo jedra železa in strukturo paketa itd. upoštevajte pri izbiri induktorja. . Ti parametri so običajno povezani z osnovnim materialom, proizvodnim postopkom ter velikostjo in stroški. Zato ta članek predstavlja značilnosti različnih materialov iz jedra železa in kako izbrati ustrezno induktivnost kot referenco za načrtovanje napajanja.

 


Čas objave: junij 15-2021