低功耗電源的電感挑選
超低功率或許超高功率開(kāi)關(guān)電源|穩壓器的電感,并不象通常開(kāi)關(guān)電源那樣簡(jiǎn)略挑選。當前慣例的電感都是為一些干流規劃所制作,并不能極好地滿(mǎn)意一些特別規劃。這篇文章首要評論超低功率、超高功率Buck電路的電感挑選疑問(wèn)。典型使用實(shí)例即是小體積電池長(cháng)期供電設備。在這種電路中,讓工程師感到扎手的疑問(wèn)首要是電池容量(本錢(qián)與體積)與Buck電路體積、功率之間的對立。為了減小開(kāi)關(guān)電源的體積,最佳挑選盡能夠高的開(kāi)關(guān)頻率�？墒情_(kāi)關(guān)損耗以及輸出電感的損耗會(huì )跟著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的進(jìn)步而增大,而且很有能夠變成影響功率的首要因素,正是這些對立大大進(jìn)步了電路規劃的難度。
Buck電路的電感需求
對工程師而言,鐵磁性元件(電感)能夠是最早觸摸的非線(xiàn)性器材�？墒且罁谱魃坦┙o的數據,很難猜測電感在高頻時(shí)的損耗。因為制作商通常只供給比方開(kāi)路電感、作業(yè)電流、飽滿(mǎn)電流、直流電阻以及自激頻率等參數。關(guān)于大多數開(kāi)關(guān)電源規劃來(lái)說(shuō),這些參數現已滿(mǎn)足了,而且依據這些參數挑選適宜的電感也十分簡(jiǎn)略�？墒�,關(guān)于超低電流、超高頻率開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),電感磁芯的非線(xiàn)性參數對頻率十分靈敏,其次,頻率也決議了線(xiàn)圈損耗。
關(guān)于通常開(kāi)關(guān)電源,有關(guān)于直流I2R損耗來(lái)說(shuō),磁芯損耗簡(jiǎn)直能夠忽略不計。所以通常狀況下,除了“自激頻率“這個(gè)與頻率有關(guān)的參數外,電感簡(jiǎn)直沒(méi)有其他與頻率有關(guān)的參數�？墒�,關(guān)于超低功率、超高頻率體系(電池供電設備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線(xiàn)圈損耗)通常會(huì )遠遠大于直流損耗。
大多數磁芯由粉狀磁性資料和陶瓷等粘合資料構成。一個(gè)未使用過(guò)的磁芯能夠簡(jiǎn)略地幻想成由一層薄薄的粘合資料包裹、彼此獨立、具有隨機方向性的很多磁針。因為當前還沒(méi)有能夠極好解說(shuō)磁芯損耗的共同模型,所以選用上述這個(gè)經(jīng)歷模型解說(shuō)磁芯損耗,在這篇文章結尾的參閱文獻中有更深化的磁芯模型,供讀者參閱。
磁性方向近似的附近磁針會(huì )彼此影響,然后構成“聯(lián)盟”。盡管這些磁針由粘合資料包裹,物理上彼此獨立,但它們之間的磁場(chǎng)是彼此相關(guān)的。咱們稱(chēng)這些“聯(lián)盟”為“單元”。而單元的鴻溝即是內部“聯(lián)盟”與外部磁針的切割面。在單元的鴻溝外的磁針比較難與鴻溝內的“聯(lián)盟”聯(lián)合。咱們稱(chēng)這些鴻溝為“單元壁”,這個(gè)模型常用來(lái)解說(shuō)磁芯的許多基本參數。
在對磁芯施加磁場(chǎng)時(shí)(對線(xiàn)圈施加電流),方向不一樣的單元彼此之間有相關(guān)。當滿(mǎn)足強的電流構成外加磁場(chǎng)時(shí),那些接近線(xiàn)圈的單元所在的磁場(chǎng)更強,會(huì )首要構成聯(lián)合(更大的單元)。而此刻處在深一層的單元還未遭到磁場(chǎng)的影響。聯(lián)合起來(lái)的單元與未遭到影響的單元之間的單元壁會(huì )在磁場(chǎng)的效果下,持續向磁芯中間移動(dòng)。假如線(xiàn)圈中的電流不吊銷(xiāo)或翻轉的話(huà),整個(gè)磁芯都將會(huì )聯(lián)合在一起。整個(gè)磁芯的磁針聯(lián)合在一起,咱們稱(chēng)為“飽滿(mǎn)”。電感制作商給出的B-H磁滯回線(xiàn)正表明磁芯從被磁化的初始期間到飽滿(mǎn)期間的進(jìn)程。假如將電流削弱,那么單元就會(huì )向自在的初始態(tài)轉變,可是有些單元會(huì )持續堅持聯(lián)合的狀況。這種不完全的轉化即是剩磁(能夠在磁滯回線(xiàn)中看出)。這種剩磁表象就會(huì )鄙人一次單元結合時(shí)體現為應力,致使磁芯損耗。
每個(gè)周期內的磁滯損耗為：
WH=mH×dI
式中積分為磁滯回線(xiàn)中的包含面積,磁芯從初始電感量到峰值電感量,再回到初始電感量的整個(gè)進(jìn)程。而在開(kāi)關(guān)頻率為F時(shí)的能量損耗為：
PH = F×mH×dI
核算這些溝通損耗看起來(lái)好像簡(jiǎn)略�？墒窃诟哳l、中等通流密度下,狀況將反常雜亂。每個(gè)電路都存在一些對磁芯損耗有影響的參數,而這些參數通常都很難量化。比方：離散電容、pcb規劃、驅動(dòng)電壓、脈沖寬度、負載狀況、輸入輸出電壓等。意外的是,磁芯損耗受這些參數影響很?chē)乐亍?BR> 每個(gè)磁芯資料都有能致使損耗的非線(xiàn)性電導率。正是這個(gè)電導率,會(huì )因為外加磁場(chǎng)而在磁芯內部誘發(fā)會(huì )發(fā)生損耗 “渦電流”。在安穩磁通量下,磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其間指數n會(huì )隨磁芯資料以及制作技術(shù)不一樣而不一樣。通常的電感制作商會(huì )經(jīng)過(guò)磁芯損耗曲線(xiàn)擬合出經(jīng)歷的近似公式。
電感參數
磁感應強度B在正激開(kāi)關(guān)電路中能夠由下式表明：
Bpk = Eavg/(4×A×N×f)
式中Bpk為尖峰溝通通流密度(Teslas);Eavg為每半周期均勻溝通電壓;A為磁芯橫截面積(平方米);N為線(xiàn)圈匝數;f為頻率(赫茲)。
通常來(lái)講,磁性資料制作商會(huì )評價(jià)磁芯的額外電感系數－AL。經(jīng)過(guò)AL能夠很簡(jiǎn)略的核算出電感量。
L = N2AL
其間AL與磁性資料的摻雜度成正比,也與磁芯的橫截面積除以磁路長(cháng)度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率,單位為瓦特/立方米。其與制作資料與制作技術(shù)息息有關(guān)。
線(xiàn)圈損耗包含直流I2R損耗和溝通損耗。其間,溝通損耗首要是因為趨膚效應和附近效應所致使。趨膚效應是指跟著(zhù)頻率的進(jìn)步移動(dòng)的電荷越來(lái)越趨于導體外表活動(dòng),相當于減小了導體導電的橫截面積,進(jìn)步了溝通阻抗。比方：在2MHz頻率,導體導電深度(從導體外表筆直向下)大約只要0.00464厘米。這就致使電流密度下降到本來(lái)的1/e (大約0.37)。附近效應是指電流在電感相鄰導線(xiàn)所發(fā)生的磁場(chǎng)會(huì )彼此影響,然后致使所謂的“擁堵電流”,也會(huì )進(jìn)步溝通阻抗。關(guān)于趨膚效應,能夠經(jīng)過(guò)多芯電線(xiàn)(同一根導線(xiàn)內含多根細導線(xiàn))適度減輕。關(guān)于那些溝通電流紋波遠小于直流電流的電路,多芯電線(xiàn)能夠有用下降電感的總損耗。
磁芯損耗首要是因為磁滯表象以及磁芯內部傳導率或其他非線(xiàn)性參數的互感發(fā)生。在Buck拓撲布局中,榜首象限的B-H磁滯回線(xiàn)對磁芯損耗影響最大。在榜首象限這個(gè)部分圖中,磁滯回線(xiàn)顯現了電感從初始電感量過(guò)渡到峰值電感量再回到初始電感量的進(jìn)程。假如開(kāi)關(guān)電源安穩作業(yè)在不接連狀況,磁滯回線(xiàn)會(huì )從剩下電感量(Br)過(guò)渡到峰值電感量(參閱圖1)。假如開(kāi)關(guān)電源作業(yè)在接連狀況,那么磁滯回線(xiàn)將會(huì )從直流偏置點(diǎn)上升到曲線(xiàn)峰值,再回到直流偏置點(diǎn)。經(jīng)過(guò)試驗能夠斷定磁滯回線(xiàn)的準確曲線(xiàn)形狀(基本上是橢圓曲線(xiàn))。
磁芯損耗測驗設備
測驗電感功能的最有用辦法即是將被測驗電感放置在結尾開(kāi)關(guān)電源電路上,然后對此電路的功率進(jìn)行丈量�？墒�,這種測驗辦法需求有結尾電路,不易選用。如今,有一種相對簡(jiǎn)略的測驗辦法,能夠在規劃開(kāi)關(guān)電源前對電感的磁芯損耗進(jìn)行測驗(在其設定的開(kāi)關(guān)頻點(diǎn)上)。首要,將磁芯串連放置在低損耗電容介質(zhì)上(比方鍍銀云母)。然后,用一系列共振模驅動(dòng)。其間介質(zhì)的電容值需求與被測電感的開(kāi)關(guān)頻率共同。結尾選用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)完結整個(gè)測驗進(jìn)程(信號發(fā)生器加上一個(gè)射頻伏特計或許功率計也能夠完結測驗)。測驗設備的布局如圖2所示。
在諧振點(diǎn),低損耗的磁芯能夠當作L-C共振回路。此刻損耗能夠等效為一個(gè)純阻元件(包含線(xiàn)圈損耗和磁芯損耗)。在上面的測驗設備中,端子A和R都連接著(zhù)50Ω電阻。此設備的開(kāi)路(不包含電感)等效為150Ω負載的振蕩器。在網(wǎng)絡(luò )分析儀上能夠表明為：
20×Log(A/R) = 20×Log(50/150) = -9.54 dB
在這個(gè)測驗電路中,諧振電容為2000pF,被測電感大約為2.5mH～2.8mH,測驗頻率為1kHz。其間,磁性資料的浸透率是一個(gè)與頻率有關(guān)的非線(xiàn)性函數,在更高的頻點(diǎn)上,測驗成果有能夠不一樣。
磁芯損耗試驗數據
一個(gè)相對磁導率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯,外圍環(huán)繞10/44的多芯電線(xiàn)16匝,另一個(gè)雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯,外圍環(huán)繞10/44的多芯電線(xiàn)8匝。電感量測驗值分別為2.75mHy 和 2.78mHy。榜首個(gè)電感盡管是16匝,可是橫截面積是第二個(gè)電感的一半。在一樣振幅信號的驅動(dòng)下,這兩個(gè)電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω 和300Ω。相對的,另一個(gè)電感(2.5mHy)選用Micrometals公司的十分低的摻雜資料(羰基T25-6 ,相對磁導率為 8.5)。10/44多芯電線(xiàn)34匝。在相同的驅動(dòng)信號下,他的等效損耗電阻為22000Ω。
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