uutiset

Yhteenveto

Induktorit ovat erittäin tärkeitä komponentteja kytkentämuuntimissa, kuten energian varastointi- ja tehosuodattimissa. Induktoreita on monenlaisia, kuten erilaisiin sovelluksiin (matalataajuisista korkeataajuuksiin), tai erilaisia ​​ydinmateriaaleja, jotka vaikuttavat kelan ominaisuuksiin ja niin edelleen. Kytkentämuuntimissa käytettävät kelat ovat korkeataajuisia magneettikomponentteja. Kuitenkin eri tekijöiden, kuten materiaalien, käyttöolosuhteiden (kuten jännite ja virta) ja ympäristön lämpötilan vuoksi esitetyt ominaisuudet ja teoriat ovat melko erilaisia. Siksi piirisuunnittelussa on induktanssiarvon perusparametrin lisäksi otettava huomioon induktorin impedanssin ja vaihtovirtaresistanssin sekä taajuuden välinen suhde, sydänhäviö ja kyllästysvirran ominaisuudet jne.. Tässä artikkelissa esitellään useita tärkeitä kelan ydinmateriaaleja ja niiden ominaisuuksia sekä opastetaan tehosuunnittelijoita valitsemaan kaupallisesti saatavilla olevat standardikelat.

Esipuhe

Induktori on sähkömagneettinen induktiokomponentti, joka muodostetaan käämimällä tietty määrä käämiä (käämiä) puolaan tai sydämeen eristetyllä johdolla. Tätä käämiä kutsutaan induktanssikelaksi tai induktoriksi. Sähkömagneettisen induktion periaatteen mukaan, kun kela ja magneettikenttä liikkuvat suhteessa toisiinsa tai käämi muodostaa vaihtomagneettikentän vaihtovirran kautta, syntyy indusoitu jännite, joka vastustaa alkuperäisen magneettikentän muutosta, ja tätä virranmuutoksen hillitsemisominaisuutta kutsutaan induktiiviseksi.

Induktanssin arvon kaava on kaava (1), joka on verrannollinen magneettiseen permeabiliteettiin, käämin kierrosten neliöön ja vastaavaan magneettipiirin poikkipinta-alaan Ae, ja on kääntäen verrannollinen vastaavaan magneettipiirin pituuteen le . Induktanssityyppejä on monia, joista jokainen sopii erilaisiin sovelluksiin; induktanssi liittyy muotoon, kokoon, käämitystapaan, kierrosten lukumäärään ja välimagneettisen materiaalin tyyppiin.

(1)

Rautasydämen muodosta riippuen induktanssi sisältää toroidaalisen, E-ytimen ja rummun; rautaydinmateriaalin suhteen on pääasiassa keraamista ydintä ja kahta pehmeää magneettityyppiä. Ne ovat ferriittiä ja metallijauhetta. Rakenteesta tai pakkaustavasta riippuen lanka on kierretty, monikerroksinen ja muovattu, ja kierretty lanka on suojaamatonta ja puolet magneettista liimaa Suojattu (puolisuojattu) ja suojattu (suojattu) jne.

Induktori toimii oikosulkuna tasavirrassa ja tarjoaa korkean impedanssin vaihtovirralle. Piirien peruskäyttöjä ovat tukehtuminen, suodatus, viritys ja energian varastointi. Kytkinmuuntimen sovelluksessa induktori on tärkein energian varastointikomponentti ja muodostaa alipäästösuodattimen lähtökondensaattorin kanssa vähentääkseen lähtöjännitteen aaltoilua, joten sillä on myös tärkeä rooli suodatustoiminnossa.

Tämä artikkeli esittelee induktorien eri ydinmateriaaleja ja niiden ominaisuuksia sekä joitakin induktorien sähköisiä ominaisuuksia tärkeänä arviointireferenssinä induktorien valinnassa piirisuunnittelun aikana. Sovellusesimerkissä esitellään käytännön esimerkkien avulla, miten induktanssiarvo lasketaan ja kuinka valitaan kaupallisesti saatavilla oleva standardikela.

Ydinmateriaalin tyyppi

Kytkentämuuntimissa käytettävät kelat ovat korkeataajuisia magneettikomponentteja. Keskellä oleva sydänmateriaali vaikuttaa eniten induktorin ominaisuuksiin, kuten impedanssiin ja taajuuteen, induktanssiarvoon ja taajuuteen tai sydämen kyllästymisominaisuuksiin. Seuraavassa esitellään useiden yleisten rautasydänmateriaalien vertailu ja niiden kyllästysominaisuudet tärkeänä referenssinä tehoinduktorien valinnassa:

1. Keraaminen ydin

Keraaminen ydin on yksi yleisimmistä induktanssimateriaaleista. Sitä käytetään pääasiassa kelan käämitykseen käytettävän tukirakenteen aikaansaamiseksi. Sitä kutsutaan myös "ilmaytimen induktoriksi". Koska käytetty rautasydän on ei-magneettista materiaalia, jolla on erittäin alhainen lämpötilakerroin, induktanssiarvo on erittäin vakaa käyttölämpötila-alueella. Väliaineena olevan ei-magneettisen materiaalin vuoksi induktanssi on kuitenkin erittäin alhainen, mikä ei ole kovin sopiva tehomuuntimien käyttöön.

2. Ferriitti

Yleisissä suurtaajuisissa induktoreissa käytetty ferriittisydän on ferriittiyhdiste, joka sisältää nikkelisinkkiä (NiZn) tai mangaanisinkkiä (MnZn), joka on pehmeää magneettista ferromagneettista materiaalia, jolla on alhainen koersiivisuus. Kuvassa 1 on esitetty yleisen magneettisydämen hystereesikäyrä (BH-silmukka). Magneettisen materiaalin pakkovoimaa HC kutsutaan myös koersitiiviksi, mikä tarkoittaa, että kun magneettinen materiaali on magnetisoitu magneettiseen kyllästymiseen, sen magnetoituminen (magnetoituminen) pienenee nollaan Kulloinkin vaadittavaan magneettikentän voimakkuuteen. Pienempi koersitiivisuus tarkoittaa pienempää vastusta demagnetisaatiolle ja tarkoittaa myös pienempää hystereesihäviötä.

Mangaani-sinkki- ja nikkeli-sinkkiferriiteillä on suhteellisen korkea suhteellinen läpäisevyys (μr), vastaavasti noin 1500-15000 ja 100-1000. Niiden korkea magneettinen permeabiliteetti tekee rautasydämestä korkeamman tietyssä tilavuudessa. Induktanssi. Haittapuolena on kuitenkin se, että sen siedettävä kyllästysvirta on alhainen, ja kun rautasydän on kyllästynyt, magneettinen permeabiliteetti laskee jyrkästi. Katso kuvasta 4 ferriitti- ja jauherautaytimien magneettisen permeabiliteetin laskusuuntausta, kun rautasydän on kyllästynyt. Vertailu. Käytettäessä tehoinduktoreissa päämagneettiseen piiriin jää ilmarako, joka voi vähentää läpäisevyyttä, välttää kyllästymistä ja varastoida enemmän energiaa; kun ilmarako otetaan mukaan, ekvivalentti suhteellinen läpäisevyys voi olla noin 20- Välillä 200. Koska itse materiaalin suuri ominaisvastus voi vähentää pyörrevirran aiheuttamaa häviötä, häviö on pienempi korkeilla taajuuksilla ja sopii paremmin suurtaajuusmuuntajat, EMI-suodatinkelat ja tehomuuntajien energiaa varastoivat induktorit. Toimintataajuudellaan nikkeli-sinkkiferriitti soveltuu käytettäväksi (>1 MHz) ja mangaani-sinkkiferriitti alemmille taajuuskaistoille (<2 MHz).

1

Kuva 1. Magneettisydämen hystereesikäyrä (BR: remananssi; BSAT: kyllästymisen magneettivuon tiheys)

3. Jauherautaydin

Jauherautaytimet ovat myös pehmeämagneettisia ferromagneettisia materiaaleja. Ne on valmistettu eri materiaalien rautajauheseoksista tai vain rautajauheesta. Kaava sisältää ei-magneettisia materiaaleja, joiden hiukkaskoko on erilainen, joten kyllästyskäyrä on suhteellisen lempeä. Jauherautaydin on enimmäkseen toroidinen. Kuvassa 2 on jauherautaydin ja sen poikkileikkauskuva.

Tavallisia jauhemaisia ​​rautasydämiä ovat rauta-nikkeli-molybdeenilejeerinki (MPP), sendust (Sendust), rauta-nikkeliseos (suuri virtaus) ja rautajauheydin (rautajauhe). Eri komponenteista johtuen myös sen ominaisuudet ja hinnat ovat erilaisia, mikä vaikuttaa kelojen valintaan. Seuraavassa esitellään edellä mainitut ydintyypit ja verrataan niiden ominaisuuksia:

A. Rauta-nikkeli-molybdeeniseos (MPP)

Fe-Ni-Mo-seoksesta käytetään lyhennettä MPP, joka on lyhenne molypermalloy-jauheesta. Suhteellinen permeabiliteetti on noin 14-500, ja kyllästysmagneettivuon tiheys on noin 7500 Gaussia (Gauss), mikä on korkeampi kuin ferriitin kyllästysmagneettivuon tiheys (noin 4000-5000 Gaussia). Monet ulos. MPP:llä on pienin rautahävikki ja paras lämpötilastabiilisuus rautajauheytimistä. Kun ulkoinen tasavirta saavuttaa kyllästysvirran ISAT, induktanssiarvo laskee hitaasti ilman äkillistä vaimennusta. MPP:llä on parempi suorituskyky, mutta korkeammat kustannukset, ja sitä käytetään yleensä tehoinduktorina ja EMI-suodattimena tehomuuntimissa.

B. Sendust

Rauta-pii-alumiiniseoksesta valmistettu rautasydän on seostettu rautasydän, joka koostuu raudasta, piistä ja alumiinista ja jonka suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on noin 26-125. Rautahäviö on rautajauheytimen ja MPP:n ja rauta-nikkeliseoksen välillä. . Kyllästysmagneettivuon tiheys on suurempi kuin MPP, noin 10500 Gaussia. Lämpötilan stabiilisuus ja kyllästysvirran ominaisuudet ovat hieman huonommat kuin MPP:llä ja rauta-nikkeliseoksella, mutta paremmat kuin rautajauheytimen ja ferriittisydämen, ja suhteellinen hinta on halvempi kuin MPP- ja rauta-nikkeliseos. Sitä käytetään enimmäkseen EMI-suodatuksessa, tehokertoimen korjauspiireissä (PFC) ja kytkentätehonmuuntimien tehoinduktoreissa.

C. Rauta-nikkeliseos (suuri virtaus)

Rauta-nikkeliseoksesta valmistettu ydin on valmistettu raudasta ja nikkelistä. Suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on noin 14-200. Rautahäviö ja lämpötilan stabiilisuus ovat MPP:n ja rauta-pii-alumiiniseoksen välillä. Rauta-nikkeliseoksen ytimellä on korkein kyllästysmagneettivuon tiheys, noin 15 000 Gaussia, ja se kestää suurempia DC-esijännitevirtoja, ja sen DC-esijänniteominaisuudet ovat myös paremmat. Sovellusalue: Aktiivinen tehokertoimen korjaus, energian varastointiinduktanssi, suodattimen induktanssi, flyback-muuntimen suurtaajuusmuuntaja jne.

D. Rautajauhe

Rautajauheydin on valmistettu erittäin puhtaista rautajauhehiukkasista, joissa on hyvin pieniä hiukkasia, jotka on eristetty toisistaan. Valmistusprosessi tekee siitä hajautetun ilmaraon. Rengasmuodon lisäksi tavallisissa rautajauheytimen muodoissa on myös E-tyyppiä ja leimaustyyppiä. Rautajauheytimen suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on noin 10-75 ja korkea saturaatiomagneettivuon tiheys on noin 15000 Gaussia. Jauherautaytimistä rautajauheytimellä on suurin rautahäviö, mutta alhaisin hinta.

Kuvio 3 esittää TDK:n valmistaman PC47 mangaani-sinkkiferriitin ja MICROMETALSin valmistamien jauhemaisten rautaytimien -52 ja -2 BH-käyrät; mangaani-sinkkiferriitin suhteellinen magneettinen permeabiliteetti on paljon suurempi kuin jauhemaisten rautaytimien ja kylläinen. Magneettivuon tiheys on myös hyvin erilainen, ferriitin noin 5000 Gaussia ja rautajauheytimen yli 10000 Gaussia.

3

Kuva 3. Eri materiaalien mangaani-sinkkiferriitti- ja rautajauheytimien BH-käyrä

Yhteenvetona voidaan todeta, että rautaytimen kyllästysominaisuudet ovat erilaiset; kun kyllästysvirta ylittyy, ferriittiytimen magneettinen permeabiliteetti laskee jyrkästi, kun taas rautajauheydin voi hitaasti laskea. Kuvassa 4 on esitetty saman magneettisen permeabiliteetin omaavan rautajauheytimen ja ilmavälillä varustetun ferriitin magneettisen permeabiliteetin pudotusominaisuudet eri magneettikentän voimakkuuksilla. Tämä selittää myös ferriittisydämen induktanssin, koska permeabiliteetti laskee jyrkästi, kun sydän on kyllästynyt, kuten yhtälöstä (1) voidaan nähdä, se aiheuttaa myös induktanssin jyrkän putoamisen; kun taas jauheytimessä on hajautunut ilmarako, magneettinen läpäisevyys Nopeus laskee hitaasti, kun rautasydän on kyllästynyt, joten induktanssi pienenee pehmeämmin, eli sillä on paremmat DC-esijännitysominaisuudet. Tehonmuuntimia käytettäessä tämä ominaisuus on erittäin tärkeä; jos induktorin hidas kyllästysominaisuus ei ole hyvä, induktorin virta nousee kyllästysvirtaan ja induktanssin äkillinen lasku aiheuttaa kytkentäkiteen virtajännityksen jyrkän nousun, mikä on helppo aiheuttaa vahinkoa.

4

Kuva 4. Rautajauheytimen ja ferriittisydämen magneettisen läpäisevyyden pudotusominaisuudet ilmavälillä eri magneettikentän voimakkuuksilla.

Induktorin sähköiset ominaisuudet ja pakkauksen rakenne

Kytkinmuunninta suunniteltaessa ja induktoria valittaessa induktanssiarvo L, impedanssi Z, vaihtovirtaresistanssin ACR- ja Q-arvo (laatutekijä), nimellisvirta IDC ja ISAT sekä sydänhäviö (ydinhäviö) ja muut tärkeät sähköiset ominaisuudet ovat pakollisia. harkita. Lisäksi induktorin pakkausrakenne vaikuttaa magneettivuodon suuruuteen, mikä puolestaan ​​vaikuttaa EMI:hen. Seuraavassa käsitellään edellä mainittuja ominaisuuksia erikseen induktorien valinnassa huomioiden.

1. Induktanssiarvo (L)

Induktorin induktanssiarvo on piirisuunnittelun tärkein perusparametri, mutta on tarkistettava, onko induktanssiarvo vakaa käyttötaajuudella. Induktanssin nimellisarvo mitataan yleensä taajuudella 100 kHz tai 1 MHz ilman ulkoista DC-esijännitettä. Ja automatisoidun massatuotannon mahdollisuuden varmistamiseksi kelan toleranssi on yleensä ±20% (M) ja ±30% (N). Kuva 5 on Taiyo Yuden induktorin NR4018T220M induktanssi-taajuuskäyrä mitattuna Wayne Kerrin LCR-mittarilla. Kuten kuvasta näkyy, induktanssiarvokäyrä on suhteellisen tasainen ennen 5 MHz:tä ja induktanssiarvoa voidaan pitää melkein vakiona. Suurtaajuuskaistalla loiskapasitanssin ja -induktanssin synnyttämän resonanssin vuoksi induktanssiarvo kasvaa. Tätä resonanssitaajuutta kutsutaan itseresonanssitaajuudeksi (SRF), jonka on yleensä oltava paljon korkeampi kuin toimintataajuus.

5

Kuva 5, Taiyo Yuden NR4018T220M induktanssi-taajuusominaisuuden mittauskaavio

2. Impedanssi (Z)

Kuten kuvasta 6 näkyy, impedanssikaavio voidaan nähdä myös induktanssin suorituskyvystä eri taajuuksilla. Induktorin impedanssi on suunnilleen verrannollinen taajuuteen (Z=2πfL), joten mitä suurempi taajuus, sitä reaktanssi on paljon suurempi kuin AC-resistanssi, joten impedanssi käyttäytyy kuin puhdas induktanssi (vaihe on 90˚). Suurilla taajuuksilla loiskapasitanssivaikutuksen vuoksi impedanssin itseresonanssitaajuuspiste voidaan nähdä. Tämän pisteen jälkeen impedanssi laskee ja muuttuu kapasitiiviseksi, ja vaihe muuttuu vähitellen -90 ˚:ksi.

6

3. Q-arvo ja vaihtovirtaresistanssi (ACR)

Q-arvo induktanssin määritelmässä on reaktanssin suhde resistanssiin, eli impedanssin imaginaariosan suhde todelliseen osaan, kuten kaavassa (2).

(2)

Missä XL on induktorin reaktanssi ja RL on induktorin AC-resistanssi.

Matalan taajuusalueella AC-resistanssi on suurempi kuin induktanssin aiheuttama reaktanssi, joten sen Q-arvo on hyvin pieni; taajuuden kasvaessa reaktanssi (noin 2πfL) kasvaa ja kasvaa, vaikka vastus ihovaikutuksesta (ihoefekti) ja läheisyydestä (läheisyys) johtuvasta vaikutuksesta kasvaa ja Q-arvo kasvaa edelleen taajuuden myötä ; kun lähestytään SRF:ää, kapasitiivinen reaktanssi kompensoi asteittain induktiivista reaktanssia ja Q-arvo pienenee vähitellen; kun SRF muuttuu nollaksi, koska induktiivinen reaktanssi ja kapasitiivinen reaktanssi ovat täysin samat. Kuva 7 esittää Q-arvon ja NR4018T220M:n taajuuden välistä suhdetta, ja suhde on käänteisen kellon muotoinen.

7

Kuva 7. Taiyo Yuden induktorin NR4018T220M Q-arvon ja taajuuden välinen suhde

Induktanssin sovellustaajuuskaistalla mitä suurempi Q-arvo, sitä parempi; se tarkoittaa, että sen reaktanssi on paljon suurempi kuin AC-resistanssi. Yleisesti ottaen paras Q-arvo on yli 40, mikä tarkoittaa, että kelan laatu on hyvä. Yleensä kuitenkin DC-biasin kasvaessa induktanssiarvo pienenee ja myös Q-arvo pienenee. Jos käytetään litteää emaloitua lankaa tai monisäikeistä emaloitua lankaa, voidaan ihovaikutusta eli AC-resistanssia vähentää ja myös induktorin Q-arvoa nostaa.

DC-vastusta DCR pidetään yleensä kuparilangan tasavirtaresistanssina, ja vastus voidaan laskea langan halkaisijan ja pituuden mukaan. Suurin osa pienivirtaisista SMD-induktoreista kuitenkin käyttää ultraäänihitsausta SMD:n kuparilevyn valmistamiseksi käämiliittimessä. Koska kuparilanka ei kuitenkaan ole pitkä ja vastusarvo ei ole korkea, hitsausvastus muodostaa usein huomattavan osan DC-vastuksen kokonaismäärästä. Kun otetaan esimerkkinä TDK:n lankakääretty SMD-kela CLF6045NIT-1R5N, mitattu tasavirtavastus on 14,6 mΩ ja johdon halkaisijan ja pituuden perusteella laskettu tasavirtavastus on 12,1 mΩ. Tulokset osoittavat, että tämä hitsausvastus on noin 17 % kokonaistasavirtaresistanssista.

AC-resistanssi ACR:llä on iho- ja läheisyysvaikutus, mikä saa ACR:n lisääntymään taajuuden myötä; yleisinduktanssin soveltamisessa, koska AC-komponentti on paljon pienempi kuin DC-komponentti, ACR:n aiheuttama vaikutus ei ole ilmeinen; mutta kevyellä kuormituksella Koska DC-komponentti on pienempi, ACR:n aiheuttamaa häviötä ei voida jättää huomiotta. Skin-ilmiö tarkoittaa sitä, että AC-olosuhteissa virran jakautuminen johtimen sisällä on epätasainen ja keskittynyt johtimen pintaan, mikä johtaa vastaavan johtimen poikkileikkauspinta-alan pienenemiseen, mikä puolestaan ​​lisää johtimen vastaavaa resistanssia. taajuus. Lisäksi lankakäämityksessä vierekkäiset johdot aiheuttavat virrasta johtuvien magneettikenttien lisäyksen ja vähentämisen, jolloin virta keskittyy langan viereiselle pinnalle (tai kaukaisimmalle pinnalle virran suunnasta riippuen). ), mikä aiheuttaa myös vastaavan johdon katkaisun. Ilmiö, että pinta-ala pienenee ja ekvivalenttivastus kasvaa, on ns. läheisyysilmiö; monikerroksisen käämin induktanssisovelluksessa läheisyysvaikutus on vielä ilmeisempi.

8

Kuvassa 8 on esitetty lankakääretyn SMD-kelan NR4018T220M vaihtovirtavastuksen ja taajuuden välinen suhde. 1 kHz:n taajuudella resistanssi on noin 360 mΩ; 100 kHz:llä resistanssi nousee 775 mΩ:iin; 10 MHz:llä resistanssiarvo on lähellä 160 Ω. Kuparihäviötä arvioitaessa laskennassa on otettava huomioon iho- ja läheisyysvaikutusten aiheuttama ACR ja muutettava se kaavaksi (3).

4. Kyllästysvirta (ISAT)

Kyllästysvirta ISAT on yleensä bias-virta, joka on merkitty, kun induktanssiarvo on vaimennettu, kuten 10 %, 30 % tai 40 %. Ilmarakoferriitillä, koska sen kyllästysvirran ominaisuus on erittäin nopea, ei ole paljon eroa 10 % ja 40 % välillä. Katso kuva 4. Jos se on kuitenkin rautajauheydin (kuten leimattu induktori), kyllästyskäyrä on suhteellisen lempeä, kuten kuvassa 9 näkyy, bias-virta 10 % tai 40 % induktanssin vaimennuksesta on paljon erilainen, joten kyllästysvirran arvoa käsitellään erikseen molemmille rautasydämille seuraavasti .

Ilmarakoferriitin tapauksessa on järkevää käyttää ISAT:a induktorin maksimivirran ylärajana piirisovelluksissa. Jos se on kuitenkin rautajauheydin, hitaan kyllästysominaisuuden vuoksi ongelmaa ei ole, vaikka sovelluspiirin maksimivirta ylittäisi ISAT:n. Siksi tämä rautasydänominaisuus soveltuu parhaiten kytkentämuunninsovelluksiin. Kovalla kuormituksella, vaikka kelan induktanssiarvo on alhainen, kuten kuvassa 9 näkyy, virran aaltoilukerroin on korkea, mutta virran kondensaattorin virran toleranssi on korkea, joten se ei ole ongelma. Kevyellä kuormituksella kelan induktanssiarvo on suurempi, mikä auttaa vähentämään induktorin aaltoiluvirtaa ja siten vähentämään rautahäviötä. Kuvassa 9 verrataan TDK:n kierretyn ferriitti SLF7055T1R5N ja leimatun rautajauheytimen induktorin SPM6530T1R5M kyllästysvirtakäyrää saman induktanssin nimellisarvon alaisena.

9

Kuva 9. Kierretyn ferriitin ja leimatun rautajauheytimen kyllästysvirtakäyrä saman induktanssin nimellisarvon alaisena

5. Nimellisvirta (IDC)

IDC-arvo on DC-esijännite, kun induktorin lämpötila nousee arvoon Tr˚C. Tekniset tiedot osoittavat myös sen tasavirtaresistanssin arvon RDC lämpötilassa 20 ˚C. Kuparilangan lämpötilakertoimen mukaan on noin 3 930 ppm, kun Tr:n lämpötila nousee, sen resistanssiarvo on RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) ja tehonkulutus PCU = I2DCxRDC. Tämä kuparihäviö hajoaa kelan pinnalle ja induktorin lämpöresistanssi ΘTH voidaan laskea:

(2)

Taulukko 2 viittaa TDK VLS6045EX -sarjan tietolehteen (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) ja laskee lämpöresistanssin lämpötilan noustessa 40 ˚C. Ilmeisesti saman sarjan ja kokoisten induktorien laskettu lämpövastus on lähes sama saman pinnan lämmönpoistoalueen vuoksi; toisin sanoen eri induktorien nimellisvirta IDC voidaan arvioida. Eri induktorisarjoilla (pakkauksilla) on erilaiset lämpövastukset. Taulukossa 3 verrataan TDK VLS6045EX-sarjan (puolisuojattu) ja SPM6530-sarjan (valettu) induktorien lämpöresistanssia. Mitä suurempi lämpöresistanssi on, sitä suurempi lämpötilan nousu syntyy, kun induktanssi kulkee kuormitusvirran läpi; muuten sitä alempi.

(2)

Taulukko 2. VLS6045EX-sarjan kelojen lämpövastus lämpötilan nousussa 40˚C

Taulukosta 3 voidaan nähdä, että vaikka induktorien koko olisi samanlainen, on meistettyjen kelojen lämpöresistanssi alhainen, eli lämmönpoisto on parempi.

(3)

Taulukko 3. Eri pakkauskelojen lämpöresistanssien vertailu.

6. Ytimen menetys

Ydinhäviö, jota kutsutaan rautahäviöksi, johtuu pääasiassa pyörrevirtahäviöstä ja hystereesihäviöstä. Pyörrevirtahäviön suuruus riippuu pääasiassa siitä, onko ydinmateriaali helppo "johtaa"; jos johtavuus on korkea, eli resistiivisyys on pieni, pyörrevirtahäviö on suuri, ja jos ferriitin ominaisvastus on korkea, pyörrevirtahäviö on suhteellisen pieni. Pyörrevirtahäviö liittyy myös taajuuteen. Mitä suurempi taajuus, sitä suurempi pyörrevirran häviö. Siksi ydinmateriaali määrää sydämen oikean toimintataajuuden. Yleisesti ottaen rautajauheytimen toimintataajuus voi olla 1 MHz ja ferriitin toimintataajuus voi olla 10 MHz. Jos toimintataajuus ylittää tämän taajuuden, pyörrevirtahäviö kasvaa nopeasti ja myös raudan ydinlämpötila nousee. Rautasydänmateriaalien nopean kehityksen myötä korkeamman toimintataajuuden omaavien rautasydämien pitäisi kuitenkin olla aivan nurkan takana.

Toinen rautahäviö on hystereesihäviö, joka on verrannollinen hystereesikäyrän ympäröimään alueeseen, joka liittyy virran AC-komponentin heilahdusamplitudiin; mitä suurempi AC-heilahdus, sitä suurempi on hystereesihäviö.

Induktorin ekvivalenttipiirissä käytetään usein induktorin rinnalle kytkettyä vastusta ilmaisemaan rautahäviö. Kun taajuus on yhtä suuri kuin SRF, induktiivinen reaktanssi ja kapasitiivinen reaktanssi kumoutuvat ja vastaava reaktanssi on nolla. Tällä hetkellä induktorin impedanssi vastaa raudan häviöresistanssia sarjassa käämivastuksen kanssa, ja raudan häviöresistanssi on paljon suurempi kuin käämin vastus, joten SRF:n impedanssi on suunnilleen sama kuin raudan häviövastus. Esimerkkinä pienjännitekelan rautahäviökestävyys on noin 20kΩ. Jos tehollisen arvojännitteen induktorin molemmissa päissä arvioidaan olevan 5 V, sen rautahäviö on noin 1,25 mW, mikä osoittaa myös, että mitä suurempi rautahäviövastus, sitä parempi.

7. Suojan rakenne

Ferriittikelojen pakkausrakenne sisältää suojaamattomia, magneettiliimalla puolisuojattuja ja suojattuja, ja kummassakin on huomattava ilmarako. Ilmeisesti ilmavälissä on magneettinen vuoto, ja pahimmassa tapauksessa se häiritsee ympäröiviä pieniä signaalipiirejä tai jos lähellä on magneettista materiaalia, myös sen induktanssi muuttuu. Toinen pakkausrakenne on leimattu rautajauheinduktori. Koska kelan sisällä ei ole rakoa ja käämirakenne on kiinteä, magneettikentän hajoamisongelma on suhteellisen pieni. Kuva 10 on RTO 1004 oskilloskoopin FFT-toiminnon käyttö vuodon magneettikentän suuruuden mittaamiseen 3 mm leimatun induktorin yläpuolella ja sivulla. Taulukossa 4 on esitetty eri pakkausrakenteiden induktorien vuotomagneettikenttien vertailu. Voidaan nähdä, että suojaamattomissa induktoreissa on vakavin magneettinen vuoto; leimatuilla keloilla on pienin magneettinen vuoto, mikä osoittaa parhaan magneettisen suojauksen. . Näiden kahden rakenteen induktorien vuotomagneettikentän suuruusero on noin 14 dB, mikä on lähes 5-kertainen.

10

Kuva 10. Vuotomagneettikentän suuruus mitattuna 3 mm leimatun kelan yläpuolelta ja sivulta

(4)

Taulukko 4. Eri pakkausrakenteiden induktorien vuotomagneettikenttien vertailu

8. kytkentä

Joissakin sovelluksissa piirilevyllä on joskus useita DC-muuntimia, jotka on yleensä järjestetty vierekkäin, ja niitä vastaavat kelat on myös järjestetty vierekkäin. Jos käytät suojaamatonta tai puolisuojattua tyyppiä magneettiliimalla, induktorit voidaan kytkeä toisiinsa muodostamaan EMI-häiriöitä. Siksi induktoria asetettaessa on suositeltavaa merkitä ensin induktorin napaisuus ja kytkeä induktorin sisimmän kerroksen aloitus- ja käämityspiste muuntimen kytkentäjännitteeseen, kuten buck-muuntimen VSW, joka on liikkuva kohta. Ulostuloliitin on kytketty lähtökondensaattoriin, joka on staattinen piste; kuparilangan käämitys muodostaa siten tietyn sähkökentän suojauksen. Multiplekserin johdotusjärjestelyssä induktanssin napaisuuden korjaaminen auttaa korjaamaan keskinäisen induktanssin suuruuden ja välttämään odottamattomia EMI-ongelmia.

Sovellukset:

Edellisessä luvussa käsiteltiin induktorin ydinmateriaalia, pakkausrakennetta ja tärkeitä sähköisiä ominaisuuksia. Tässä luvussa selitetään, kuinka valitaan sopiva induktanssiarvo buck-muuntimelle ja mitä seikkoja valittaessa kaupallisesti saatavilla olevaa kelaa.

Kuten yhtälöstä (5) näkyy, induktorin arvo ja muuntimen kytkentätaajuus vaikuttavat kelan aaltoiluvirtaan (ΔiL). Induktorin aaltoiluvirta virtaa lähtökondensaattorin läpi ja vaikuttaa lähtökondensaattorin aaltoiluvirtaan. Siksi se vaikuttaa lähtökondensaattorin valintaan ja vaikuttaa edelleen lähtöjännitteen aaltoilukokoon. Lisäksi induktanssiarvo ja lähtökapasitanssin arvot vaikuttavat myös järjestelmän takaisinkytkentäsuunnitteluun ja kuorman dynaamiseen vasteeseen. Suuremman induktanssiarvon valitseminen vähentää kondensaattorin virtajännitystä, ja se on myös hyödyllistä vähentää lähtöjännitteen aaltoilua ja voi varastoida enemmän energiaa. Suurempi induktanssiarvo osoittaa kuitenkin suurempaa tilavuutta eli korkeampaa hintaa. Siksi muuntajaa suunniteltaessa induktanssiarvon suunnittelu on erittäin tärkeää.

(5)

Kaavasta (5) voidaan nähdä, että kun tulojännitteen ja lähtöjännitteen välinen rako on suurempi, induktorin aaltoiluvirta on suurempi, mikä on induktorin suunnittelun huonoin tapaus. Yhdessä muun induktiivisen analyysin kanssa alennusmuuntimen induktanssin suunnittelupiste tulee yleensä valita maksimitulojännitteen ja täyden kuorman olosuhteissa.

Induktanssiarvoa suunniteltaessa on tarpeen tehdä kompromissi kelan aaltoiluvirran ja induktorin koon välillä, ja aaltoiluvirran kerroin (ripple current factor; γ) määritellään tässä, kuten kaavassa (6).

(6)

Kun kaava (6) korvataan kaavalla (5), induktanssiarvo voidaan ilmaista kaavana (7).

(7)

Kaavan (7) mukaan, kun tulo- ja lähtöjännitteen ero on suurempi, voidaan γ-arvo valita suuremmaksi; päinvastoin, jos tulo- ja lähtöjännite ovat lähempänä, γ-arvon suunnittelun on oltava pienempi. Jotta voidaan valita induktorin aaltoiluvirran ja koon välillä, perinteisen suunnittelukokemuksen mukaan γ on yleensä 0,2 - 0,5. Seuraavassa on esimerkkinä RT7276 havainnollistamaan induktanssin laskemista ja kaupallisesti saatavien induktorien valintaa.

Suunnitteluesimerkki: Suunniteltu RT7276:n edistyneellä jatkuvalla päälläoloajalla (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) synkronisella tasasuuntauksella, sen kytkentätaajuus on 700 kHz, tulojännite 4,5 - 18 V ja lähtöjännite 1,05 V . Täysi kuormitusvirta on 3A. Kuten edellä mainittiin, induktanssiarvo on suunniteltava olosuhteissa, joissa suurin tulojännite on 18V ja täysi kuorma 3A, γ:n arvoksi otetaan 0,35 ja yllä oleva arvo korvataan yhtälöllä (7), induktanssi. arvo on

Käytä induktoria, jonka tavanomainen nimellisinduktanssi on 1,5 µH. Korvaa kaava (5) induktorin aaltoiluvirran laskemiseksi seuraavasti.

Siksi induktorin huippuvirta on

Ja kelan tehollinen arvo (IRMS) on

Koska induktorin aaltoilukomponentti on pieni, induktorin virran tehollinen arvo on pääosin sen DC-komponentti, ja tätä tehollista arvoa käytetään perustana induktorin nimellisvirran IDC valinnassa. 80 %:n alentuneella suunnittelulla induktanssivaatimukset ovat:

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

Taulukossa 5 on lueteltu saatavilla olevat eri TDK-sarjojen induktorit, jotka ovat kooltaan samanlaisia, mutta pakettirakenteeltaan erilaisia. Taulukosta voidaan nähdä, että leimatun kelan (SPM6530T-1R5M) kyllästysvirta ja nimellisvirta ovat suuria ja lämpövastus on pieni ja lämmönpoisto hyvä. Lisäksi stanssatun induktorin ydinmateriaali on edellisen luvun pohdinnan mukaan rautajauheydin, joten sitä verrataan puolisuojattujen (VLS6045EX-1R5N) ja suojattujen (SLF7055T-1R5N) kelojen ferriittiytimeen. magneettisella liimalla. , Siinä on hyvät DC-bias-ominaisuudet. Kuvassa 11 on esitetty RT7276:n edistyneeseen jatkuvaan, jatkuvaan synkroniseen tasasuuntaukseen alennettuun muuntimeen käytettyjen eri induktorien tehokkuusvertailu. Tulokset osoittavat, että tehokkuusero näiden kolmen välillä ei ole merkittävä. Jos otat huomioon lämmönhäviön, DC-bias-ominaisuudet ja magneettikentän hajoamiseen liittyvät ongelmat, on suositeltavaa käyttää SPM6530T-1R5M-induktoreja.

(5)

Taulukko 5. TDK:n eri sarjojen induktanssien vertailu

11

Kuva 11. Muuntimen hyötysuhteen vertailu eri kelojen kanssa

Jos valitset saman paketin rakenteen ja induktanssiarvon, mutta pienempiä keloja, kuten SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), vaikka sen koko on pieni, mutta DC-vastus RDC (44,5 mΩ) ja lämpöresistanssi ΘTH ( 51˚C) /W) Suurempi. Saman spesifikaation omaaville muuntimille kelan sietämän virran tehollinen arvo on myös sama. On selvää, että tasavirtavastus vähentää tehokkuutta raskaassa kuormituksessa. Lisäksi suuri lämpövastus tarkoittaa huonoa lämmönpoistoa. Siksi induktoria valittaessa ei ole vain tarpeen ottaa huomioon pienennetyn koon etuja, vaan myös arvioida siihen liittyvät puutteet.

Lopuksi

Induktanssi on yksi kytkentätehonmuuntimien yleisesti käytetyistä passiivikomponenteista, jota voidaan käyttää energian varastointiin ja suodatukseen. Piirisuunnittelussa ei kuitenkaan tarvitse kiinnittää huomiota vain induktanssiarvoon, vaan kaikki muut parametrit, kuten AC-resistanssi ja Q-arvo, virran toleranssi, rautasydämen saturaatio ja paketin rakenne jne., ovat kaikki parametreja, jotka on otettava huomioon. ottaa huomioon kelaa valittaessa. . Nämä parametrit liittyvät yleensä ydinmateriaaliin, valmistusprosessiin sekä kokoon ja kustannuksiin. Siksi tässä artikkelissa esitellään eri rautasydänmateriaalien ominaisuudet ja kuinka valita sopiva induktanssi referenssinä teholähteen suunnittelussa.