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如何选择同步整流型降压转换器的电感器(下)

骏龙电子 来源: 骏龙电子 2024-12-11 16:18 次阅读

本系列文章将以转换器 IC 评估板的参考电路为主题,说明选择各种分立元件时的重要特性。在讲解过程中,通过使用 LTspice 改变元器件或元器件本身的常数,并使用仿真波形和计算值检查电路的变化,解释特性与电路之间的关系。在上篇《同步整流变换电路中输入/输出电容器的选择方法》中,我们介绍了如何选择同步整流器型降压转换器电路所需的输入/输出电容器,同时通过仿真确认电容器特性的影响。

在《如何在同步整流变换电路中选择电感器 (上)》中,我们介绍了电感器在电源电路中的作用和电感值:L。本文将对“额定电流 Isat、Itemp”;“直流电阻 Rdc”;“自谐振频率 SRF”和“电感器的种类”进行说明。

额定电流:Isat、Itemp

电感器额定电流主要有两种类型:一个是由电感值 L 的降低 (以下简称 L 值) 决定的额定电流,另一个是由温升决定的额定电流。通常,前者称为“直流叠加额定电流 (以下简称 Isat)”,后者称为“温升额定电流 (以下简称 Itemp)”。

Isat

随着流过电感器的电流增加,L 值会因磁饱和而降低。L 值下降到一定程度时的电流值被定义为额定电流。Isat 是指 L 值下降到 20%~30% 的电流值 (具体数字因电感器的制造商和类型而异,因此请查看每个电感器的数据手册)。Isat 必须大于或等于最大电流 (电感峰值电流:ILpeak)。最大电流 ILpeak 是负载电流 (Iout) 加上纹波电流 (ΔIL) 的 1/2。ILpeak 可以通过以下公式计算:

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纹波电流 (ΔIL) 由以下公式给出:

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当额定电流没有裕量时,负载电流的增加会导致以下一连串反应:

电流增加 → 磁饱和 → L 值减小 → 峰值电流进一步增加

在这种情况下,电源 IC 的过电流保护功能(*)将被激活,从而导致输出电压 Vout 降低等问题。

注意

在高温下,饱和从低电流值开始。

如果在 Isat 之外使用,则不会损坏电感器,但纹波电流 (ΔIL) 会因 L 值的降低而增加。因此电源 IC 的运行可能会变得不稳定,或者可能会超过电感器以外的元件的额定电流。

(*)过电流保护功能是由于输出短路等事故导致输出电流异常大时,停止电源 IC 的输出的功能。检测过电流和停止输出的方法因产品而异,但电源 IC 的过电流保护功能称为频率折返型,这是一种通过降低振荡频率和降低 ON 占空比来限制输出电流的方法。

Itemp

当电流流过电感器时,绕组的电阻会产生热量。基于自身温度上升的额定电流值指定为 Itemp。如果产品使用超过此规定值,可能会导致部件故障或损坏。

Itemp 指定为温升为 ⊿40°C 的电流值 (具体数字因电感器的制造商和类型而异,因此请查看每个电感器的数据手册),因此应根据 Itemp 的值大于或等于 Iout 来选择。

仿真

下图 (图1) 为 L 值和电流的磁饱和特性关系图。在仿真中,我们将电感器 L1 与额定电流较高的 3.7A 产品 (HFL4020-222) 和负载电流为 2.5A 的较小的 1.05A 产品 (EPL2010-222) 进行了比较。仿真电路如下图 (图2) 所示。在这里,我们不使用普通的电感器模型 (静态模型),而是使用饱和模型 (Saturation model),它可以通过仿真来确认饱和状态,并在超过额定电流时检查电感器电流的状态。

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图1 磁饱和特性 (L 值 vs 电流)

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图2 电感器额定电流影响的仿真电路

具有足够额定电流裕量的电感器的仿真结果

即使负载电流为 2.5A,电感也不会饱和,电感电流和输出电压保持稳定。

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图3 足够额定电流裕量的电感器的仿真结果

额定电流裕量不足的电感器的仿真结果

当负载电流设置为 2.5A 时,发生磁饱和,电感值减小,导致电流进一步增加。此时电源 IC 的过流保护功能被激活,输出电压降低。

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图4 额定电流裕量不足的电感器的仿真结果

要点

电感器的额定电流有两种类型:直流叠加额定电流 (Isat) 和温升额定电流 (Itemp)。

Isat 是 L 值降低 20%~30% 的电流值。

Isat 选择等于或大于最大电流 (电感峰值电流) 的参数

在高温下,饱和从低电流值开始。

Itemp 是温度上升到 ⊿40°C 时的电流值。

Itemp 值应选择大于或等于负载电流 Iout。

当额定电流没有裕量,负载电流增加时,电源 IC 的过电流保护功能被激活,并出现输出电压降低等问题。

直流电阻:Rdc

理想情况下,电感器除了电感外没有其他元件,并且没有能量损失。然而实际的电感器除了电感之外,还有一个电阻成分 (直流电阻 Rdc)。

直流电阻器 Rdc (以下简称 Rdc) 越小,可减少因发热引起的功率损失。如果 Rdc 很大,功率损耗会很大,效率会降低。此外发热可能会对外围元件产生不利影响。另一方面,在降低 Rdc 和减小 DC 叠加特性和尺寸之间存在权衡关系。因此,我们从满足 L 值和额定电流等所需特性的电感器中,尽可能选择 Rdc 最低的电感器。

在仿真中,更改电感的 Rdc 并在 Efficiency Report 中检查 Efficiency 状态。仿真电路如下图 (图5) 所示。将电感 L1 的串联电阻 [Ω] 的效率与默认值 20mΩ 和 100mΩ 进行比较。

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图 5 Rdc 仿真电路


仿真结果如下图 (图6) 所示:

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图6 Rdc 仿真结果


以 Efficiency Report 中的 L1 功率值为例,20mΩ 的 Rdc 为 81mW,100mΩ 的 Rdc 为 407mW。显然,当 Rdc 为 100mΩ 时,它会更大,这意味着当 Rdc 为 100mΩ 时,功率损耗更高。

要点

Rdc 越小,由于发热造成的功率损失就越小。

在减少 Rdc 、直流叠加特性和尺寸之间需要权衡。

从满足 L 值和额定电流等所需特性的电感器中,选择 Rdc 较小的电感器。

自谐振频率:SRF

理想电感器的阻抗与频率成正比地增加,但实际电感器具有电容 (杂散电容),因此会发生自谐振现象,并且在高于谐振频率的频率下,阻抗会降低。通常使用三种等效型号的电感器,如下图 (图7) 所示。一种是电感器和电容并联,并连接一个串联电阻,另一种是电容并联到电感和串联电阻,然后连接并联电阻,它们都表现出几乎相同的特征。

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图7 三种等效型号的电感器


并联的电容和电感器在一定频率下会产生自谐振现象,频率响应的图像如下图 (图8) 所示:

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图8 频率响应图像


在低于自谐振频率时,它表现出电感特性 (阻抗随着频率的增加而增加),高于自谐振频率时,它表现出电容特性 (阻抗随着频率的增加而降低),在更高的频率下,它的阻抗减小,不再具有真正电感器的功能。频率越高,阻抗越小,电感器就不再具有电感器的功能。

因此在为高频电路或高频模块选择电感器时,不仅要考虑所需的电感值,还要考虑相对于工作频率的自谐振频率。由于电感器在高于自谐振频率时将不起作用,应选择自谐振频率高于电源 IC 开关频率的电感器。自谐振频率由以下公式获得,它随着 L 值的减小而增加。

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要点

在实际的电感器中,由于杂散电容而会出现自谐振现象。

电感器在自谐振频率以下表现出电感特性,而当频率超过自谐振频率时则表现出电容特性。

当频率高于自谐振频率时,电感器不起电感器的作用,因此应选择自谐振频率高于功率集成电路开关频率的电感器。

随着 L 值的降低,自谐振频率增加。

电感器的种类

电源系统电感器根据其特性进行分类,并根据产生的磁通量进行分类。

按磁性材料分类

电感器的磁性 (磁芯) 材料有两种类型:铁氧体和金属复合材料。到目前为止,铁氧体一直很受欢迎,但近年来,使用金属磁性材料的金属复合类型电感器备受关注。与铁氧体型相比,金属复合型具有优异的磁饱和特性和热稳定性。相反,铁氧体型具有优异的直流电阻。下表 (表1) 为二者的性能比较:

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表1 磁性材料按材料分类

按磁通量分类

电源电感器有两种类型:开路型和闭路 (屏蔽) 型。当电流通过磁性材料的环形磁芯 (环形磁芯) 时,磁通量在磁芯内部回流,这样的磁路称为闭合磁路。当使用条形或鼓形磁芯时,磁通量从磁芯内部流出,成为漏磁通量,并形成一个返回磁芯的回路,这称为开磁路。如果漏磁通与其他线圈或布线模式磁耦合,则会产生噪声。因此,开磁路类型的辐射噪声更大,但即使是封闭的磁路类型,也有一些产品存在间隙并导致漏磁。

由于磁结构的不同,封闭和开放磁路之间的饱和特性存在差异,因此直流叠加特性也存在差异。在闭合磁路的情况下,L 值随着直流叠加电流的增加而逐渐减小。另一方面,在开路磁路的情况下,随着直流叠加电流的增加,L 值在达到预定电流值之前相对平缓,但 L 值在预定电流值之后往往会急剧下降。但是根据所用磁性材料的特性,曲线的趋势会发生变化。

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图9 开路和闭路磁路的饱和特性


下表 (表2) 为磁通状态下的分类对比:

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表2 磁通状态下的分类

总结

本文主要介绍“额定电流 Isat、Itemp”;“直流电阻 Rdc”;“自谐振频率 SRF”和“电感器的种类”。

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原文标题:如何在同步整流变换电路中选择电感器 (下)

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