новости

Краткое содержание

Индукторы являются очень важными компонентами импульсных преобразователей, такими как накопители энергии и силовые фильтры. Существует много типов индукторов, например, для разных применений (от низкочастотных до высокочастотных), или разные материалы сердечника, которые влияют на характеристики индуктора, и так далее. Индукторы, используемые в импульсных преобразователях, представляют собой высокочастотные магнитные компоненты. Однако из-за различных факторов, таких как материалы, условия эксплуатации (например, напряжение и ток) и температура окружающей среды, представленные характеристики и теории сильно различаются. Поэтому при проектировании схемы, помимо основного параметра величины индуктивности, еще необходимо учитывать связь между полным сопротивлением дросселя и сопротивлением и частотой переменного тока, потерями в сердечнике и характеристиками тока насыщения и т. д. В этой статье будут представлены некоторые важные материалы сердечника индуктора и их характеристики, а также приведены рекомендации энергетикам по выбору имеющихся в продаже стандартных индукторов.

Предисловие

Индуктор – это компонент электромагнитной индукции, который образуется путем намотки определенного количества катушек (катушек) на бобину или сердечник с изолированным проводом. Эта катушка называется катушкой индуктивности или индуктором. В соответствии с принципом электромагнитной индукции, когда катушка и магнитное поле движутся относительно друг друга или катушка генерирует переменное магнитное поле посредством переменного тока, будет генерироваться индуцированное напряжение, чтобы противостоять изменению исходного магнитного поля. и эта характеристика сдерживания изменения тока называется индуктивностью.

Формула значения индуктивности имеет вид формулы (1), которая пропорциональна магнитной проницаемости, площади витков обмотки N и эквивалентной площади поперечного сечения магнитопровода Ae и обратно пропорциональна эквивалентной длине магнитопровода le. . Существует много типов индуктивности, каждый из которых подходит для разных применений; индуктивность зависит от формы, размера, способа намотки, количества витков и типа промежуточного магнитного материала.

(1)

В зависимости от формы железного сердечника индуктивность подразделяется на тороидальный, Е-сердечник и барабанный; Что касается материала железного сердечника, то в основном это керамический сердечник и два магнитомягких типа. Это феррит и металлический порошок. В зависимости от конструкции или способа упаковки проволока бывает навитая, многослойная и формованная, а проволока навитая - неэкранированная и наполовину на магнитном клее, экранированная (полуэкранированная) и экранированная (экранированная) и т. д.

Индуктор действует как короткое замыкание при постоянном токе и имеет высокое сопротивление переменному току. Основные области применения в схемах включают дросселирование, фильтрацию, настройку и накопление энергии. При использовании импульсного преобразователя индуктор является наиболее важным компонентом хранения энергии и образует фильтр нижних частот с выходным конденсатором для уменьшения пульсаций выходного напряжения, поэтому он также играет важную роль в функции фильтрации.

В этой статье будут представлены различные материалы сердечников индукторов и их характеристики, а также некоторые электрические характеристики индукторов, что является важным справочным материалом для выбора индукторов во время проектирования схем. В примере применения на практических примерах будет показано, как рассчитать значение индуктивности и как выбрать коммерчески доступный стандартный дроссель.

Тип основного материала

Индукторы, используемые в импульсных преобразователях, представляют собой высокочастотные магнитные компоненты. Материал сердечника в центре больше всего влияет на характеристики индуктора, такие как полное сопротивление и частота, значение и частота индуктивности или характеристики насыщения сердечника. Далее будет представлено сравнение нескольких распространенных материалов с железным сердечником и их характеристик насыщения, что станет важным ориентиром для выбора силовых индукторов:

1. Керамический сердечник

Керамический сердечник является одним из распространенных материалов индуктивности. В основном он используется для создания несущей конструкции, используемой при намотке катушки. Его также называют «индуктор с воздушным сердечником». Поскольку используемый железный сердечник представляет собой немагнитный материал с очень низким температурным коэффициентом, значение индуктивности очень стабильно в диапазоне рабочих температур. Однако из-за немагнитного материала в качестве среды индуктивность очень мала, что не очень подходит для применения в силовых преобразователях.

2. Феррит

Ферритовый сердечник, используемый в обычных высокочастотных индукторах, представляет собой ферритовое соединение, содержащее никель-цинк (NiZn) или марганец-цинк (MnZn), который представляет собой магнитомягкий ферромагнитный материал с низкой коэрцитивной силой. На рисунке 1 показана кривая гистерезиса (петля BH) обычного магнитопровода. Коэрцитивная сила HC магнитного материала также называется коэрцитивной силой, что означает, что когда магнитный материал намагничивается до магнитного насыщения, его намагниченность (намагниченность) снижается до нуля. Требуемая в данный момент напряженность магнитного поля. Более низкая коэрцитивность означает более низкое сопротивление размагничиванию, а также означает меньшие потери на гистерезис.

Марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты имеют относительно высокую относительную проницаемость (мкр), около 1500-15000 и 100-1000 соответственно. Их высокая магнитная проницаемость делает железный сердечник выше в определенном объеме. Индуктивность. Однако недостатком является то, что его допустимый ток насыщения низок, и как только железный сердечник насытится, магнитная проницаемость резко упадет. На рисунке 4 показана тенденция снижения магнитной проницаемости ферритовых и порошковых железных сердечников при насыщении железного сердечника. Сравнение. При использовании в силовых индукторах в основной магнитной цепи остается воздушный зазор, который может уменьшить проницаемость, избежать насыщения и сохранить больше энергии; когда включен воздушный зазор, эквивалентная относительная проницаемость может составлять около 20-200. Поскольку высокое удельное сопротивление самого материала может уменьшить потери, вызванные вихревыми токами, потери ниже на высоких частотах, и это больше подходит для высокочастотные трансформаторы, индукторы фильтров электромагнитных помех и индукторы накопления энергии силовых преобразователей. По рабочей частоте для использования пригоден никель-цинковый феррит (>1 МГц), а для более низких частотных диапазонов (<2 МГц) подходит марганцево-цинковый феррит.

1

Рисунок 1. Кривая гистерезиса магнитного сердечника (BR: остаточная намагниченность; BSAT: плотность магнитного потока насыщения)

3. Сердечник из порошкового железа

Сердечники из порошкового железа также представляют собой магнитомягкие ферромагнитные материалы. Их изготавливают из железных порошковых сплавов разных материалов или только из железного порошка. Формула содержит немагнитные материалы с частицами разного размера, поэтому кривая насыщения относительно пологая. Сердечник из порошкового железа в основном имеет тороидальную форму. На рис. 2 показан сердечник из порошкового железа и его поперечное сечение.

Обычные сердечники из порошкового железа включают сплав железа, никеля и молибдена (MPP), сендаст (Sendust), сплав железа с никелем (высокий флюс) и сердечник из железного порошка (железный порошок). Из-за разных комплектующих его характеристики и цена также различны, что влияет на выбор дросселей. Ниже будут представлены вышеупомянутые типы ядер и сравнены их характеристики:

А. Железо-никель-молибденовый сплав (МПП)

Сплав Fe-Ni-Mo обозначается сокращенно MPP, что означает порошок молипермаллоя. Относительная проницаемость составляет около 14-500, а плотность магнитного потока насыщения - около 7500 Гаусс (Гаусс), что выше плотности магнитного потока насыщения феррита (около 4000-5000 Гаусс). Многие вышли. MPP имеет наименьшие потери в железе и лучшую температурную стабильность среди сердечников из порошкового железа. Когда внешний постоянный ток достигает тока насыщения ISAT, значение индуктивности уменьшается медленно, без резкого затухания. MPP имеет лучшие характеристики, но более высокую стоимость и обычно используется в качестве силового индуктора и фильтра электромагнитных помех для преобразователей мощности.

Б. Сендаст

Железный сердечник из железо-кремниево-алюминиевого сплава представляет собой железный сердечник из сплава железа, кремния и алюминия с относительной магнитной проницаемостью от 26 до 125. Потери в железе происходят между сердечником из железного порошка и MPP и железо-никелевым сплавом. . Плотность магнитного потока насыщения выше МПП, около 10500 Гаусс. Температурная стабильность и характеристики тока насыщения немного уступают MPP и железо-никелевому сплаву, но лучше, чем у сердечника из железного порошка и ферритового сердечника, а относительная стоимость дешевле, чем у MPP и железо-никелевого сплава. Он в основном используется в схемах фильтрации электромагнитных помех, коррекции коэффициента мощности (PFC) и силовых индукторах импульсных преобразователей мощности.

C. Железо-никелевый сплав (высокофлюсный)

Сердечник из железо-никелевого сплава изготовлен из железа и никеля. Относительная магнитная проницаемость составляет около 14-200. Потери в железе и температурная стабильность находятся между MPP и сплавом железо-кремний-алюминий. Сердечник из железо-никелевого сплава имеет самую высокую плотность магнитного потока насыщения, около 15 000 Гаусс, и может выдерживать более высокие постоянные токи смещения, а его характеристики смещения постоянного тока также лучше. Область применения: активная коррекция коэффициента мощности, индуктивность накопления энергии, индуктивность фильтра, высокочастотный трансформатор обратноходового преобразователя и т. д.

D. Железный порошок

Сердечник из железного порошка изготовлен из частиц железного порошка высокой чистоты с очень мелкими частицами, изолированными друг от друга. В процессе производства он имеет распределенный воздушный зазор. В дополнение к форме кольца, распространенные формы сердечника из железного порошка также имеют тип E и штампованный тип. Относительная магнитная проницаемость сердечника из железного порошка составляет от 10 до 75, а высокая плотность магнитного потока насыщения составляет около 15000 Гаусс. Среди сердечников из порошкового железа сердечник из железного порошка имеет самые высокие потери в железе, но самую низкую стоимость.

На рис. 3 показаны кривые BH марганец-цинкового феррита РС47 производства компании TDK и сердечников из порошкового железа -52 и -2 производства MICROMETALS; относительная магнитная проницаемость марганцево-цинкового феррита намного выше, чем у сердечников из порошкового железа, и является насыщенной. Плотность магнитного потока также сильно различается, у феррита около 5000 Гаусс, а у сердечника из железного порошка - более 10000 Гаусс.

3

Рисунок 3. Кривая BH сердечников из марганцево-цинкового феррита и железного порошка из различных материалов.

Таким образом, характеристики насыщения железного сердечника различны; как только ток насыщения будет превышен, магнитная проницаемость ферритового сердечника резко упадет, в то время как сердечник из железного порошка может медленно уменьшаться. На рис. 4 показаны характеристики падения магнитной проницаемости порошкового железного сердечника с одинаковой магнитной проницаемостью и феррита с воздушным зазором при различной напряженности магнитного поля. Это также объясняет индуктивность ферритового сердечника, поскольку проницаемость резко падает при насыщении сердечника, как видно из уравнения (1), это также приводит к резкому падению индуктивности; в то время как порошковый сердечник с распределенным воздушным зазором, скорость магнитной проницаемости снижается медленно, когда железный сердечник насыщается, поэтому индуктивность уменьшается более плавно, то есть он имеет лучшие характеристики смещения постоянного тока. При применении преобразователей мощности эта характеристика очень важна; Если характеристика медленного насыщения индуктора неудовлетворительна, ток индуктора возрастает до тока насыщения, а внезапное падение индуктивности приведет к резкому увеличению текущего напряжения переключающего кристалла, что легко может привести к повреждению.

4

Рисунок 4. Характеристики падения магнитной проницаемости сердечника из порошкового железа и сердечника из ферритового железа с воздушным зазором при различной напряженности магнитного поля.

Электрические характеристики индуктора и структура корпуса

При проектировании импульсного преобразователя и выборе индуктора необходимо учитывать значение индуктивности L, полное сопротивление Z, сопротивление переменному току ACR и значение Q (коэффициент качества), номинальный ток IDC и ISAT, а также потери в сердечнике (потери в сердечнике) и другие важные электрические характеристики. быть рассмотрено. Кроме того, структура упаковки индуктора будет влиять на величину магнитной утечки, что, в свою очередь, влияет на электромагнитные помехи. Далее вышеупомянутые характеристики будут обсуждаться отдельно в качестве соображений при выборе индукторов.

1. Значение индуктивности (L)

Величина индуктивности дросселя является наиболее важным базовым параметром при проектировании схем, но необходимо проверить, стабильно ли значение индуктивности на рабочей частоте. Номинальное значение индуктивности обычно измеряется на частоте 100 кГц или 1 МГц без внешнего смещения постоянного тока. А для обеспечения возможности массового автоматизированного производства допуск индуктора обычно составляет ±20% (М) и ±30% (Н). На рисунке 5 показан график частотно-индуктивной характеристики катушки индуктивности Taiyo Yuden NR4018T220M, измеренный с помощью измерителя LCR Уэйна Керра. Как показано на рисунке, кривая значения индуктивности относительно плоская до частоты 5 МГц, и значение индуктивности можно практически считать постоянным. В диапазоне высоких частот из-за резонанса, создаваемого паразитной емкостью и индуктивностью, значение индуктивности увеличится. Эта резонансная частота называется собственной резонансной частотой (SRF), которая обычно должна быть намного выше рабочей частоты.

5

Рисунок 5. Схема измерения индуктивно-частотной характеристики Taiyo Yuden NR4018T220M.

2. Импеданс (Z)

Как показано на рисунке 6, диаграмму импеданса также можно увидеть по характеристикам индуктивности на разных частотах. Импеданс дросселя примерно пропорционален частоте (Z=2πfL), поэтому чем выше частота, тем реактивное сопротивление будет намного больше, чем сопротивление переменному току, поэтому импеданс ведет себя как чистая индуктивность (фаза равна 90˚). На высоких частотах из-за эффекта паразитной емкости можно увидеть точку саморезонансной частоты импеданса. После этого момента импеданс падает и становится емкостным, а фаза постепенно меняется до -90˚.

6

3. Значение добротности и сопротивление переменному току (ACR).

Величина Q в определении индуктивности — это отношение реактивного сопротивления к сопротивлению, то есть отношение мнимой части к действительной части импеданса, как в формуле (2).

(2)

Где XL — реактивное сопротивление дросселя, а RL — сопротивление переменного тока дросселя.

В низкочастотном диапазоне сопротивление переменному току больше, чем реактивное сопротивление, вызванное индуктивностью, поэтому его значение добротности очень низкое; с увеличением частоты реактивное сопротивление (около 2πfL) становится все больше и больше, даже если сопротивление из-за скин-эффекта (скин-эффекта) и эффекта близости (близости) Эффект становится все больше и больше, а значение Q все еще увеличивается с частотой ; при приближении к SRF индуктивное реактивное сопротивление постепенно компенсируется емкостным реактивным сопротивлением, и значение Q постепенно становится меньше; когда SRF становится равным нулю, поскольку индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление полностью одинаковы. Исчезают. На рисунке 7 показана зависимость между значением Q и частотой NR4018T220M, эта зависимость имеет форму перевернутого колокола.

7

Рисунок 7. Зависимость между значением добротности и частотой дросселя Taiyo Yuden NR4018T220M.

В диапазоне частот применения индуктивности, чем выше значение Q, тем лучше; это означает, что его реактивное сопротивление намного больше сопротивления переменному току. Вообще говоря, лучшее значение добротности выше 40, что означает, что качество индуктора хорошее. Однако, как правило, по мере увеличения смещения постоянного тока значение индуктивности уменьшается, и значение Q также уменьшается. Если используется плоский эмалированный провод или многожильный эмалированный провод, скин-эффект, то есть сопротивление переменному току, можно уменьшить, а также увеличить добротность индуктора.

Сопротивление постоянному току DCR обычно рассматривается как сопротивление медного провода постоянному току, и сопротивление можно рассчитать в зависимости от диаметра и длины провода. Однако в большинстве слаботочных индукторов SMD для изготовления медного листа SMD на клемме обмотки используется ультразвуковая сварка. Однако, поскольку медный провод невелик по длине и значение сопротивления невелико, сопротивление сварке часто составляет значительную часть общего сопротивления постоянному току. На примере SMD-индуктора с проволочной обмоткой TDK CLF6045NIT-1R5N измеренное сопротивление постоянному току составляет 14,6 мОм, а сопротивление постоянному току, рассчитанное на основе диаметра и длины провода, составляет 12,1 мОм. Результаты показывают, что это сопротивление сварке составляет около 17% от общего сопротивления постоянному току.

Сопротивление переменному току ACR имеет скин-эффект и эффект близости, что приводит к увеличению ACR с частотой; при применении общей индуктивности, поскольку составляющая переменного тока намного ниже, чем составляющая постоянного тока, влияние, вызванное ACR, не очевидно; но при небольшой нагрузке. Поскольку составляющая постоянного тока уменьшается, потери, вызванные ACR, нельзя игнорировать. Скин-эффект означает, что в условиях переменного тока распределение тока внутри проводника неравномерно и сосредоточено на поверхности провода, что приводит к уменьшению эквивалентной площади поперечного сечения провода, что, в свою очередь, увеличивает эквивалентное сопротивление провода с частота. Кроме того, в проволочной обмотке соседние провода будут вызывать сложение и вычитание магнитных полей из-за тока, так что ток концентрируется на поверхности, прилегающей к проводу (или самой дальней поверхности, в зависимости от направления тока). ), что также приводит к эквивалентному перехвату проводов. Явление уменьшения площади и увеличения эквивалентного сопротивления представляет собой так называемый эффект близости; при индуктивном применении многослойной обмотки эффект близости проявляется еще более очевидно.

8

На рисунке 8 показана зависимость между сопротивлением переменному току и частотой SMD-индуктора с проволочной обмоткой NR4018T220M. На частоте 1 кГц сопротивление составляет около 360мОм; при 100 кГц сопротивление возрастает до 775мОм; на частоте 10 МГц значение сопротивления близко к 160 Ом. При оценке потерь в меди расчет должен учитывать ACR, вызванный скин-эффектом и эффектом близости, и модифицировать его по формуле (3).

4. Ток насыщения (ISAT)

Ток насыщения ISAT обычно представляет собой ток смещения, отмечаемый при уменьшении значения индуктивности, например, на 10%, 30% или 40%. Для феррита с воздушным зазором, поскольку его характеристика тока насыщения очень быстрая, разница между 10% и 40% невелика. См. рисунок 4. Однако, если это сердечник из железного порошка (например, штампованный индуктор), кривая насыщения относительно пологая, как показано на рисунке 9, ток смещения при 10% или 40% затухания индуктивности намного значительнее. различны, поэтому значение тока насыщения будет обсуждаться отдельно для двух типов железных сердечников следующим образом.

Для феррита с воздушным зазором разумно использовать ISAT в качестве верхнего предела максимального тока дросселя для схемотехнических приложений. Однако, если это сердечник из железного порошка, из-за характеристики медленного насыщения проблем не возникнет, даже если максимальный ток прикладной цепи превышает ISAT. Следовательно, эта характеристика железного сердечника наиболее подходит для переключающих преобразователей. При большой нагрузке, хотя значение индуктивности индуктора низкое, как показано на рисунке 9, коэффициент пульсаций тока высок, но допуск тока конденсатора по току высок, поэтому это не будет проблемой. При небольшой нагрузке значение индуктивности индуктора увеличивается, что помогает уменьшить пульсации тока индуктора, тем самым уменьшая потери в железе. На рисунке 9 сравнивается кривая тока насыщения ферритовой обмотки TDK SLF7055T1R5N и индуктора SPM6530T1R5M с сердечником из штампованного железа при одинаковом номинальном значении индуктивности.

9

Рис. 9. Кривая тока насыщения намотанного ферритового сердечника и сердечника из штампованного железа при одинаковом номинальном значении индуктивности.

5. Номинальный ток (IDC)

Значение IDC представляет собой смещение постоянного тока, когда температура индуктора повышается до Tr˚C. В характеристиках также указано значение сопротивления постоянному току RDC при 20˚C. Согласно температурному коэффициенту медного провода около 3930 ppm, при повышении температуры Tr значение его сопротивления составляет RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), а потребляемая мощность PCU = I2DCxRDC. Эти потери в меди рассеиваются на поверхности индуктора, и тепловое сопротивление ΘTH индуктора можно рассчитать:

(2)

Таблица 2 относится к техническому паспорту серии TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 мм) и рассчитана термическое сопротивление при повышении температуры на 40˚C. Очевидно, что для индукторов одной серии и размера расчетное тепловое сопротивление практически одинаково из-за одинаковой площади поверхностного теплоотвода; другими словами, можно оценить номинальный ток IDC различных индукторов. Разные серии (пакеты) индукторов имеют разное термическое сопротивление. В таблице 3 приведено сравнение термического сопротивления индукторов серии TDK VLS6045EX (полуэкранированные) и серии SPM6530 (литые). Чем больше термическое сопротивление, тем выше повышение температуры, возникающее при протекании индуктивности через ток нагрузки; в противном случае — ниже.

(2)

Таблица 2. Термическая стойкость индукторов серии VLS6045EX при повышении температуры 40˚C

Из таблицы 3 видно, что даже при одинаковых размерах индукторов термическое сопротивление штампованных индукторов невелико, то есть теплоотдача лучше.

(3)

Таблица 3. Сравнение термического сопротивления различных корпусов индукторов.

6. Потеря ядра

Потери в сердечнике, называемые потерями в железе, в основном вызваны потерями на вихревые токи и потерями на гистерезис. Размер потерь на вихревые токи главным образом зависит от того, легко ли «проводит» материал сердечника; если проводимость высока, то есть удельное сопротивление низкое, потери на вихревые токи высоки, а если удельное сопротивление феррита велико, потери на вихревые токи относительно низкие. Потери вихревых токов также связаны с частотой. Чем выше частота, тем больше потери на вихревые токи. Следовательно, материал сердечника будет определять правильную рабочую частоту сердечника. Вообще говоря, рабочая частота сердечника из железного порошка может достигать 1 МГц, а рабочая частота феррита - 10 МГц. Если рабочая частота превышает эту частоту, потери на вихревые токи будут быстро увеличиваться, а также увеличиваться температура железного сердечника. Однако с быстрым развитием материалов с железными сердечниками не за горами должны появиться железные сердечники с более высокими рабочими частотами.

Другая потеря в железе - это потеря на гистерезис, которая пропорциональна площади, ограниченной кривой гистерезиса, которая связана с амплитудой качания переменного компонента тока; чем больше размах переменного тока, тем больше потери на гистерезис.

В эквивалентной схеме индуктора для выражения потерь в железе часто используется резистор, подключенный параллельно индуктору. Когда частота равна SRF, индуктивное реактивное сопротивление и емкостное реактивное сопротивление компенсируются, и эквивалентное реактивное сопротивление равно нулю. В это время импеданс индуктора эквивалентен сопротивлению потерь в железе последовательно с сопротивлением обмотки, а сопротивление потерь в железе намного больше, чем сопротивление обмотки, поэтому импеданс на SRF примерно равен сопротивлению потерь в железе. Если взять в качестве примера низковольтный индуктор, его сопротивление потерь в железе составляет около 20 кОм. Если эффективное значение напряжения на обоих концах индуктора оценивается в 5 В, его потери в железной части составят около 1,25 мВт, что также показывает, что чем больше сопротивление потерь в железной части, тем лучше.

7. Конструкция щита

Конструкция упаковки ферритовых индукторов бывает неэкранированная, полуэкранированная с магнитным клеем и экранированная, причем в каждой из них имеется значительный воздушный зазор. Очевидно, что воздушный зазор будет иметь утечку магнитного поля, и в худшем случае он будет мешать окружающим небольшим сигнальным цепям, или, если поблизости находится магнитный материал, его индуктивность также будет изменена. Другая конструкция упаковки представляет собой индуктор из штампованного железного порошка. Поскольку внутри индуктора нет зазора, а структура обмотки прочная, проблема рассеяния магнитного поля относительно невелика. На рисунке 10 показано использование функции БПФ осциллографа RTO 1004 для измерения величины магнитного поля рассеяния на расстоянии 3 мм выше и сбоку от штампованного индуктора. В таблице 4 приведено сравнение магнитного поля рассеяния индукторов различной конструкции. Видно, что неэкранированные индукторы имеют наиболее серьезную магнитную утечку; штампованные индукторы имеют наименьшую магнитную утечку, демонстрируя лучший эффект магнитного экранирования. . Разница в величине магнитного поля рассеяния индукторов этих двух структур составляет около 14дБ, что почти в 5 раз.

10

Рисунок 10. Величина магнитного поля рассеяния, измеренная на расстоянии 3 мм сверху и сбоку от штампованного индуктора.

(4)

Таблица 4. Сравнение магнитного поля рассеяния индукторов различной конструкции корпуса

8. муфта

В некоторых приложениях на печатной плате иногда имеется несколько наборов преобразователей постоянного тока, которые обычно располагаются рядом друг с другом, а соответствующие им индукторы также располагаются рядом друг с другом. Если вы используете неэкранированный или полуэкранированный тип с магнитным клеем, индукторы могут быть соединены друг с другом, образуя электромагнитные помехи. Поэтому при размещении индуктора рекомендуется сначала отметить полярность индуктора и подключить начальную точку и точку обмотки самого внутреннего слоя индуктора к напряжению переключения преобразователя, например, к напряжению VSW понижающего преобразователя. что является движущейся точкой. Выходная клемма подключена к выходному конденсатору, который является статической точкой; Таким образом, обмотка из медного провода образует определенную степень экранирования электрического поля. В схеме подключения мультиплексора фиксирование полярности индуктивности помогает зафиксировать величину взаимной индуктивности и избежать некоторых неожиданных проблем, связанных с электромагнитными помехами.

Приложения:

В предыдущей главе обсуждались материал сердечника, структура корпуса и важные электрические характеристики индуктора. В этой главе объясняется, как выбрать подходящее значение индуктивности понижающего преобразователя, а также соображения по выбору коммерчески доступного дросселя.

Как показано в уравнении (5), номинал дросселя и частота переключения преобразователя будут влиять на пульсирующий ток дросселя (ΔiL). Пульсации тока дросселя будут течь через выходной конденсатор и влиять на пульсации тока выходного конденсатора. Следовательно, это повлияет на выбор выходного конденсатора и в дальнейшем повлияет на размер пульсаций выходного напряжения. Кроме того, значение индуктивности и значение выходной емкости также будут влиять на конструкцию обратной связи системы и динамический отклик нагрузки. Выбор большего значения индуктивности приводит к уменьшению текущей нагрузки на конденсатор, а также позволяет уменьшить пульсации выходного напряжения и позволяет сохранить больше энергии. Однако большее значение индуктивности указывает на больший объем, то есть на более высокую стоимость. Поэтому при проектировании преобразователя очень важно рассчитать величину индуктивности.

(5)

Из формулы (5) видно, что чем больше разница между входным и выходным напряжениями, тем больше пульсации тока дросселя, что является наихудшим состоянием конструкции дросселя. В сочетании с другим индуктивным анализом расчетную точку индуктивности понижающего преобразователя обычно следует выбирать в условиях максимального входного напряжения и полной нагрузки.

При расчете значения индуктивности необходимо найти компромисс между пульсирующим током индуктора и размером индуктора, а коэффициент пульсирующего тока (коэффициент пульсирующего тока; γ) определяется здесь, как в формуле (6).

（6）

Подставив формулу (6) в формулу (5), значение индуктивности можно выразить формулой (7).

（7）

Согласно формуле (7), когда разница между входным и выходным напряжением больше, значение γ можно выбрать большим; наоборот, если входное и выходное напряжение ближе, расчетное значение γ должно быть меньше. Чтобы выбрать между пульсирующим током индуктора и его размером, согласно традиционному опыту проектирования, значение γ обычно составляет от 0,2 до 0,5. Ниже в качестве примера используется RT7276 для иллюстрации расчета индуктивности и выбора имеющихся в продаже катушек индуктивности.

Пример конструкции: Разработан с использованием синхронного выпрямляющего понижающего преобразователя RT7276 с усовершенствованным постоянным временем включения (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), его частота переключения составляет 700 кГц, входное напряжение составляет от 4,5 В до 18 В, а выходное напряжение составляет 1,05 В. . Ток полной нагрузки составляет 3А. Как упоминалось выше, значение индуктивности должно быть рассчитано из условий максимального входного напряжения 18 В и полной нагрузки 3 А, значение γ принимается равным 0,35, и указанное выше значение подставляется в уравнение (7), индуктивность значение

Используйте дроссель с обычным номинальным значением индуктивности 1,5 мкГн. Подставьте формулу (5) для расчета пульсаций тока дросселя следующим образом.

Следовательно, пиковый ток дросселя равен

А действующее значение тока индуктора (IRMS) равно

Поскольку составляющая пульсаций дросселя невелика, эффективное значение тока дросселя в основном представляет собой его постоянную составляющую, и это эффективное значение используется в качестве основы для выбора номинального тока дросселя IDC. При расчете со снижением номинальных характеристик на 80% требования к индуктивности составляют:

L = 1,5 мкГн (100 кГц), IDC = 3,77 А, ISAT = 4,34 А

В таблице 5 приведены доступные индукторы разных серий ТДК, схожие по размеру, но разные по конструкции корпуса. Из таблицы видно, что ток насыщения и номинальный ток штампованного дросселя (СПМ6530Т-1Р5М) велики, термическое сопротивление мало и теплоотвод хороший. Кроме того, согласно обсуждению в предыдущей главе, материал сердечника штампованного индуктора представляет собой сердечник из железного порошка, поэтому его сравнивают с ферритовым сердечником полуэкранированных (VLS6045EX-1R5N) и экранированных (SLF7055T-1R5N) индукторов. с магнитным клеем. , Имеет хорошие характеристики смещения постоянного тока. На рисунке 11 показано сравнение эффективности различных катушек индуктивности, применяемых в усовершенствованном понижающем преобразователе с синхронным выпрямлением постоянного времени включения RT7276. Результаты показывают, что разница в эффективности между этими тремя системами незначительна. Если вы учитываете рассеяние тепла, характеристики смещения постоянного тока и проблемы рассеяния магнитного поля, рекомендуется использовать дроссели SPM6530T-1R5M.

（5）

Таблица 5. Сравнение индуктивностей разных серий ТДК

11

Рисунок 11. Сравнение эффективности преобразователя с разными дросселями

Если вы выберете ту же структуру корпуса и значение индуктивности, но индукторы меньшего размера, такие как SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 мм), хотя его размер небольшой, но сопротивление постоянному току RDC (44,5 мОм) и тепловое сопротивление ΘTH ( 51˚C)/Вт) Больше. Для преобразователей одинаковых характеристик эффективное значение тока, допускаемого дросселем, также одинаково. Очевидно, что сопротивление постоянному току снизит эффективность при большой нагрузке. Кроме того, большое термическое сопротивление означает плохой отвод тепла. Поэтому при выборе индуктора необходимо не только учитывать преимущества уменьшенных размеров, но и оценивать сопутствующие ему недостатки.

В заключение

Индуктивность — один из часто используемых пассивных компонентов в импульсных преобразователях мощности, который можно использовать для хранения и фильтрации энергии. Однако при проектировании схем необходимо уделять внимание не только значению индуктивности, но и другим параметрам, включая сопротивление переменному току и значение добротности, допуск по току, насыщение железного сердечника, структуру корпуса и т. д. следует учитывать при выборе индуктора. . Эти параметры обычно связаны с материалом сердцевины, производственным процессом, а также размером и стоимостью. Поэтому в этой статье представлены характеристики различных материалов железных сердечников и способы выбора подходящей индуктивности в качестве ориентира при проектировании источника питания.