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了解功率电感参数
Sven Spohr
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![]() ![]() 每月为您发送最具参考价值的行业文章 订阅我们会保障您的隐私 简介消费类应用是现代 DC/DC 变换器需求的主要驱动力。 在这类应用中,功率电感主要被用于电池供电设备、嵌入式计算,以及高功率、高频率的 DC/DC 变换器。了解电感的电气特性对于设计紧凑型、经济型、高效率、并具备出色散热性能的系统至关重要。 电感是一种相对简单的元件,它由缠绕在线圈中的绝缘线组成。但当单个元件组合在一起,用来创建具有适当尺寸、重量、温度、频率和电压的电感,同时又能满足目标应用时,复杂性就会增加。 选择电感时,了解电感数据手册中标明的电气特性非常重要。 本文将提供指导,帮助您为解决方案选择合适电感,同时阐明如何在设计新型 DC/DC 变换器时预测电感性能。 电感是什么?电感是一种电路元件,它可以在自身磁场中储存能量。电感通过储存将电能转换为磁能,然后向电路提供能量以调节电流。当电流增加,磁场就会增强。图 1 展示了电感模型。 ![]() 图1: 电感的电气模型 电感是采用绝缘线绕成线圈形成的。线圈可以是不同的形状和尺寸,也可以使用不同的芯材缠绕。 电感的大小则取决于匝数、磁芯尺寸和磁导率等多种因素。图 2 显示了关键的电感参数。 ![]() 图2: 电感参数 表 1 显示了如何计算电感 (L)。 表1: 计算电感(L) 公式 参数 参数描述 $$L = \frac {µ_r µ_0 \times A_M}{I_M} \times N^2$$ µ = µr µ0 磁导率 µr 相对磁导率(磁芯) µ0 = 4π10-7 磁场常数(真空磁导率) AM 线圈面积(磁场面积) IM 线圈长度(磁场长度) µ 匝数下面,我们将详细描述常见的电感参数。 磁导率磁导率是材料响应磁通量的能力,也表明了在施加的电磁场中有多少磁通量可以通过电感。表2显示了磁导率对磁通密度(B)的增强。 表 2:计算磁通密度 (B) 公式 参数 参数描述 $$B = µ \times H$$ $$µ$$ 介质的磁导率 $$H$$ 磁场(取决于几何形状、匝数和电流)从表 2可以看出,磁通量的浓度取决于磁芯的磁导率和尺寸。 图 3 显示了一个没有磁芯的线圈。 ![]() 图3: 空心线圈 空心线圈的磁导率为常数值(µr air),大约等于 1。 图 4 显示了一个带磁芯的电感。当然,有磁芯时,磁场会增强。 ![]() 图4: 带磁芯的电感 不同磁芯材料的典型磁导率不同。 表 3 列出了三种不同芯材的磁导率。 表 3:磁芯磁导率 芯材 符号 磁导率 铁 µr FEBASED 50 至 150 镍锌 µr NiZn 40 至 1,500 锰锌 µr MnZn 300 至 20,000 相关内容 文章![]() 寻找适合您应用的理想功率电感 产品类别页![]() 了解 MPS 的电感产品 文章![]() 了解磁饱和原理以及如何在设计中避免它 文章充分发掘降压变换器的潜力 电感值 (L)电感将感应的电能存储为磁能的能力通过电感值来体现。在开关输入电压驱动电感的同时,电感要为输出负载提供恒定的直流电流。 表 4 显示了电流和电感电压之间的关系。 可以看出,电感两端的电压与电流随时间的变化成正比。 表 4:计算电感压降 公式 参数 参数说明 $$v = L \times \frac {di}{dt}$$ $$v$$ 电感两端的压降 $$\frac {di}{dt}$$ 电流变化率首先,确定设计需要的电感范围。要注意,电感值在整个工作条件下并不是恒定的, 它会随着频率的增加而变化。因此,对具有更高开关频率的应用,需要特殊考量。电感制造商通常在 100kHz 至 500kHz 的频率下测试电感,因为大多数 DC/DC 变换器都在此范围内工作。 电阻 (R)电感的电流电阻会导致散热,从而影响效率。总铜损中包含了 RDC 损耗和RAC 损耗。 RDC 与频率无关,始终恒定;RAC 则取决于频率。表 5 显示计算 RDC的方法。 表 5:计算铜线 RDC 公式 参数 参数说明 $$R_{DC} = ρ \times \frac {I}{A}$$ $$ρ$$ 电阻率 $$I$$ 长度 $$A$$ 横截面面积降低铜损的唯一方法是增大导线面积,即改用较粗的导线,或使用扁线。采用扁线可以使绕组窗口被完全利用,从而带来较低的 RDC。表 6 所示为圆线与扁线的横截面积比较。 表 6:圆形与扁线的横截面积比较 尺寸 线的类型 比较 横截面积 直径1mm 圆线![]() ![]() ![]() 表 7对圆线和扁线的特性进行了比较。 表 7:圆线与扁线的特性比较 圆线 扁线 电感值更高 电阻(RDC)更高 横截面较小 匝数可以更多 电流较小 绕组面积有限,降低了最大电感值 电阻(RDC)较低 绕组窗口可以被完全利用 匝数较少 电流更高使用公式 (1) 可以估算电感的直流铜损 (PDC): $$P_{DC} = I^2_{DC} \times R_{DC}$$(PAC)铜损则取决于 RAC,它是由频率驱动的邻近效应和趋肤效应引起的。频率越高,PAC 铜损越高。 磁芯损耗通常情况下,铁磁材料已可以满足磁芯电感所需的磁特性。根据磁芯材料的不同,电感的相对磁导率在 50 至 20000 之间。 当施加磁场时,这种材料的磁畴结构会产生反应; 而没有磁场时,磁矩方向是随机的。当磁能量变化时,会产生磁芯损耗。磁畴沿磁场方向定向磁矩。随着磁畴的扩大和缩小,部分磁畴会卡在晶体结构中。一旦卡住的磁畴能够旋转,能量就会以热量的形式消散。 纹波电流 (∆IL)纹波电流 (∆IL) 指一个开关周期内电流的变化量。 电感在其峰值电流范围之外可能无法正常工作。电感的纹波电流通常设计为在 IRMS的 30% 至 40% 范围之内。 图 5 所示为电感电流的波形。 ![]() 图5: 电感电流波形 额定电流 (IDC, IRMS)额定电流是指使电感温度升高规定的量所需的直流电流。温升 (ΔT) 不是一个标准值,但通常在 20K 至 40K 之间。 额定电流在环境温度下测量得到。其值通常在电感数据手册中提供,是最终应用的预期电流值。对于环境温度较高的应用,设计人员应选择自热温度较高的电感。 图 6 体现了温升与额定电流之间的关系。该曲线可用于确定任意温升对应的电流值。 ![]() 图6: 电感的额定电流曲线 在一个应用中,工作温度 (TOP) 由环境温度 (TAMB) 和电感的自热值 (ΔT)决定。TOP 可以通过公式 (2) 来估算: $$T_{OP} = T_{AMB} + ΔT$$给定额定电流是估计电感温升的最佳方法。温升还受电路设计、PCB 布局、与其他组件的接近程度以及走线尺寸和厚度的影响。电感芯体和绕组中产生的过量交流损耗也可能导致额外的热量。 如果需要较低自发热,则需选用封装尺寸较大的电感。 饱和电流 (ISAT)饱和电流额定值是指,在标称电感下降规定的百分比之前,电感可以支持的直流电流。 每个电感的参考百分比电感下降值都是唯一的。通常,制造商将该值设置在 20% 到 35% 之间,这会使电感的比较变得很困难。但数据手册通常会提供一条曲线,显示电感如何随直流电流变化。利用这条曲线可以衡量整个电感范围,以及它如何响应直流电流。 直流饱和电流取决于温度和电感磁性材料及其磁芯结构。不同的结构和磁芯都会影响ISAT值。 铁氧体磁芯是最常见的,其特点是具有硬饱和曲线(见图 7)。确保电感不会在感量下降点之外工作至关重要;因为超过该点,感量会急剧下降,功能性也会降低。 合成塑封电感在温度变化时感量下降稳定,具有软饱和特性。由于其感量逐渐下降,因此可以为设计人员提供了更大的灵活性和更宽的工作范围。 图 7 显示了两条饱和曲线。蓝色曲线为典型的合成塑封电感软饱和示例;红色曲线为典型的 NiZn/MnZn 鼓芯电感硬饱和示例。 ![]() 图7: 电感饱和电流曲线 小感量(或大封装尺寸)的电感可以处理更高的饱和电流。 自谐振频率和阻抗电感的自谐振频率 (fR) 是电感与其自电容谐振的最低频率。在谐振频率之下,阻抗处于最大峰值,有效电感为零。图 8 显示了电感的电路模型。 ![]() 图8: 电感电路模型 电感在谐振频率 (fR)之前具有电感特性(如图 9 中的蓝色曲线所示),因为频率增加,阻抗增高。在谐振频率下,负容抗 (XC) 等于正感抗 (XL), ,其值可通过公式 (3) 估算: $$X_L = X_C \to jωL = \frac {1}{jωC}$$超过谐振频率之后(如图 9 中的红色曲线所示),电感则显现出阻抗减小的电容特性。超过这一点之后,电感也不会按预期工作。 图 9 显示了感量与频率之间的关系。 ![]() 图9: 感量和频率之间的关系 选择具有高性价比的紧凑型电感了解了电感数据手册中每个参数的基本含义,就可以很容易地选择到够用的电感。 但如果了解了每个参数中隐藏的细节,就可以为 DC/DC变换器应用选择最理想的电感,同时预测在不同条件下的系统性能。 MPS 可以提供各种功率电感,适用于电源到电源变换器的各种应用。尤其是 MPL-SE 半屏蔽式电感系列,其外部使用电磁环氧树脂材料,具有更好的导磁特性。 一次成型塑封电感系列则提供软饱和功能,在高工作温度下具有更稳定的行为。这些一体成型的电感具有低直流和交流电阻,可以处理大电流。而且,塑封结构还降低了交流电和脉冲波频率产生的可闻噪声。我们可以根据以下标准来选择最理想的电感: 当高度受限时,选择薄型 MPL-AT 塑封电感系列 当应用需要大电流能力时,选择 MPL-AY 塑封电感系列 MPL-AL 塑封电感系列 则更适用于高效率应用MPS 的电感和 DC/DC 电源变换器产品将为您的设计提供简单而完善的电源解决方案。 结论市场上针对不同应用的电感种类花样繁多,选择一款最适合的电感不是一件容易的事。例如,感值大的电感可降低 DC 损耗并提高效率,但它们的物理尺寸更大,并且温度更高。 没有一款电感是万能的,了解每个电感的参数以及不同参数之间的关系非常重要,它可以帮助设计人员确定一款电感是否适合特定的 DC/DC 应用。MPS 的 半屏蔽式电感 和 一体成型电感选型工具可以帮助您找到理想的电感。 _______________________ 您感兴趣吗? 点击订阅,我们将每月为您发送最具价值的资讯!技术论坛 MPS 工程师24小时内回复您! MPS滤波器电感 MPQ4572数据手册给出了4.7uH电感,用于典型应用中的EMI Pi滤波器。MPL电感器可以用于此滤波器应用吗?或更笼统地说... 电感 |
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