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一文读懂如何为开关电源选择合适的电感

时间:2019-11-11 阅读:
什么是电感?电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感器具有一定的电感,它只阻碍电流的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。

什么是电感?电感器(Inductor)是能够把电能转化为磁能而存储起来的元件。电感器的结构类似于变压器,但只有一个绕组。电感器具有一定的电感,它只阻碍电流的变化。如果电感器在没有电流通过的状态下,电路接通时它将试图阻碍电流流过它;如果电感器在有电流通过的状态下,电路断开时它将试图维持电流不变。电感器又称扼流器、电抗器、动态电抗器。

简单的说:通直流,阻碍交流。

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实际电感特性

电感是开关电源中常用的元件,由于它的电流、电压相位不同,所以理论上损耗为零。电感常为储能元件,也常与电容一起用在输入滤波和输出滤波电路上, 用来平滑电流。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有“很大的惯性”。换句话说,由于磁通连续特性,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的电压尖峰。

电感为磁性元件,自然有磁饱和的问题。有的应用允许电感饱和,有的应用允许电感从一定电流值开始进入饱和, 也有的应用不允许电感出现饱和,这要求在具体线路中进行区分。大多数情况下,电感工作在“线性区”,此时电感值为一常数,不随着端电压与电流而变化。但是,开关电源存在一个不可忽视的问题,即电感的绕线将导致两个分布参数(或寄生参数),一个是不可避免的绕线电阻,另一个是与绕制工艺、材料有关的分布式杂散电容。杂散电容在低频时影响不大,但随频率的提高而渐显出来,当频率高到某个值以上时,电感也许变成电容特性了。如果将杂散电容“集中”为一个电容, 则从电感的等效电路可以看出在某一频率后所呈现的电容特性。

电感的主要特性参数

1、电感量L

电感量L表示线圈本身固有特性,与电流大小无关。除专门的电感线圈(色码电感)外,电感量一般不专门标注在线圈上,而以特定的名称标注。单位有亨利(H)、毫亨利 (mH)、微亨利(uH),1H=10^3mH=10^6uH。

2、感抗XL

电感线圈对交流电流阻碍作用的大小称感抗XL,单位是欧姆。它与电感量L和交流电频率f的关系为XL=2πfL

3、品质因素Q

品质因素Q是表示线圈质量的一个物理量,Q为感抗XL与其等效的电阻的比值,即:Q=XL/R。线圈的Q值愈高,回路的损耗愈小。线圈的Q值与导线的直流电阻,骨架的介质损耗,屏蔽罩或铁芯引起的损耗,高频趋肤效应的影响等因素有关。线圈的Q值通常为几十到几百。采用磁芯线圈,多股粗线圈均可提高线圈的Q值。

4、分布电容

又称为固有电容或寄生电容,线圈的匝与匝间、线圈与屏蔽罩间、线圈与底版间存在的电容被称为分布电容。分布电容的存在使线圈的Q值减小,稳定性变差,因而线圈的分布电容越小越好。采用分段绕法可减少分布电容。

5、允许误差:

电感量实际值与标称之差除以标称值所得的百分数。

6、额定电流:

指线圈允许通过的最大电流,通常用字母A、B、C、D、E分别 表示,标称电流值为50mA 、150mA 、300mA 、700mA 、1600mA 。

功率电感器的额定电流有两种:

在DC-DC转换器中,电感器是仅次于IC的核心元件。通过选择恰当的电感器,能够获得较高的转换效率。在选择电感器时所使用的主要参数有电感值、额定电流、交流电阻、直流电阻等,在这些参数中还包括功率电感器特有的概念。例如,功率电感器的额定电流有两种,它们之间的差异是什么呢?

为了回答这样的疑问,我们在这里对功率电感器的额定电流进行说明。

存在两种额定电流的原因

功率电感器的额定电流有"基于自我温度上升的额定电流"和"基于电感值的变化率的额定电流"两种决定方法,分别具有重要的意义。"基于自我温度上升的额定电流"是以元件的发热量为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。

与此同时,"基于电感值的变化率的额定电流"是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致IC控制不稳定。此外,根据电感器的磁路构造的不同,磁饱和的倾向(即电感值的下降倾向)有所不同。图1是表示不同磁路构造所导致的电感值的变化的示意图。对于开磁路类型,随着直流电流的增加,到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值,但以规定电流值为境界电感值急剧下降。相反,闭磁路类型随着直流电流的增加,透磁率的数值逐渐减少,因此电感值缓慢下降。

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功率电感规格书中对额定电流参数仅注明介质的饱和电流Isat值。

小常识:Isat与rms的区别

Isat与Irms是我们工程人员常常会碰到的技术术语,但因有些客户的问题,时常将两者混淆,造成工程技术上的错误。Isat与Irms两者分别表示什么,中文又是指什么? Isat与Irms两者如何定义,它们与那些因素有关?我们在电感设计时,如何定义?

Isat:指磁介质的饱和电流,在下图B-H曲线中,是指磁介质达到Bm对应的Hm所需的DC电流量的大小,对于电感,即电感下降到一定比例后的电流大小,如SRI1207-4R7M产品,电感下跌20%的电流为8.4A,则Isat=8.4A。Isat计算公式如下:

设截面积为S、长为l,磁导率为μ的铁环上,绕以紧密的线圈N匝,线圈中通过的电流为I。則依磁路定律:

Hl/0.4π=NI=0.7958Hl

对于同一材质及呎吋的铁芯Hl依B-H曲线进行变化,但在同一斜率下,Hl是不变的,因此:

N1*I1=Hl/0.4π=N2*I2

即:

N1/N2=I2/I1

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Irms:指电感产品的应用额定电流,也称为温升电流,即产品应用时,表面达到一定温度时所对应的DC电流。

以下是以2520系列中的4.7uH叠层功率电感为例对比说明业界目前对电感器额定电流Irat、饱和电流Isat以及温升电流Irms标识状况。

叠层功率电感(铁氧体大电流电感)参数比对表

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现状会误导工程师选型,产生隐患;

目前有相当部分叠层功率电感生产厂家对其产品额定电流规格都是沿用传统信号滤波处理用叠层电感额定电流标准来定义,其根据电感的温升电流值来定义其额定工作电流。这种情况下产品设计工程师往往会按照传统功率电感选型经验并根据供应商电感规格书上定义的额定电流值来衡量其实际电路中的额定工作电流,这样一来很可能会导致因电感饱和电流低于电路的实际工作电流,会存在如下隐患:

A). 电感实际工作时因电流过大导致饱和,引起电感量下降幅度过大造成电流纹波超出后级电路最大允许规格范围造成电路干扰,从而无法正常工作甚至损坏;

B).电路中实际工作电流超过电感的饱和电流有可能会因电感饱和电感量下降产生机械或电子噪音;

C).电路中实际工作电流超过电感的饱和电流会导致因电感饱和,其电感量下降引起电源带负载时输出电压&电流不稳定,造成其它单元电路系统死机等不稳定异常情形;

D).电感额定电流(包括饱和和温升电流)选择余量不足会导致其工作时表面温度过高、整机效率降低、加速电感本身或整机老化使其寿命缩短

开关电源的输出电感选型

我们需要重点考虑的电感的参数:

1、等效电阻:影响效率

2、电感值:影响纹波电流

计算出正确的电感值对选用合适的电感和输出电容以获得最小的输出电压纹波而言非常重要。

从下图可以看出,流过开关电源电感器的电流由交流和直流两种分量组成,因为交流分量具有较高的频率,所以它会通过输出电容流入地,产生相应的输出纹波电压dv=di×RESR。这个纹波电压应尽可能低,以免影响电源系统的正常操作,一般要求峰峰值为10mV~500mV。

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纹波电流的大小同样会影响电感器和输出电容的尺寸,纹波电流一般设定为最大输出电流的10%~30%,因此对降压型电源来说,流过电感的电流峰值比电源输出电流大5%~15%。

在开关管开关的过程中,电感上电流的变化。

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在开关管开关的过程中,电感的欧姆定律应用,计算:

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输出的电流纹波,与电感值成反比,与开关频率成反比。

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由上面公式可知,电感的感值越大,输出纹波电流就越小。但带来问题是动态响应(response time)变慢。如果电感感值较小,如果想输出电压的纹波也小,就需要提高开关频率,这样MOS管上的开关损耗就增加,电路效率下降。

实际电路设计

BUCK型开关电源规格需求:5V0~24V0→1V~5V0 输出电流:2A

电源控制器备选型号:MP4420A(A表示:CCM模式,H表示:轻载降频模式)

PIN2PIN兼容:MPQ4420A-DJ(工业级),MPQ4420A-DJ-A(汽车级)

厂家:MPS

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电源输出:3.3V

电源范围要求:5%

电源纹波要求:2%   0.066V

开关频率:410kHz(320~500kHz)

占空比:12V转3V3:    27.5%

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我们选定10uH电感之后,即确定了纹波电流:

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纹波电流  =  (12V-3.3V)*0.275/(0.00001*320000)=0.75A

我们选定的陶瓷电容的ESR:

含义即为电容器所能耐受纹波电流/电压值。它们和ESR 之间的关系密切,可以用下面的式子表示:Urms = Irms × R 式中,Urms 表示纹波电压 Irms 表示纹波电流 R 表示电容的 ESR。

由上可见,当纹波电流增大的时候,即使在 ESR 保持不变的情况下,涟波电压也会成倍提高。换言之,当纹波电压增大时,纹波电流也随之增大,这也是要求电容具备更低 ESR 值的原因。叠加入纹波电流后,由于电容内部的等效串连电阻(ESR)引起发热,从而影响到电容器的使用寿命。一般的,纹波电流与频率成正比,因此低频时纹波电流也比较低。

所以,对于输出电容来说,耐压的要求和容量可以适当的降低一点。ESR的要求则高一点,因为这里要保证的是足够的电流通过量。但这里要注意的是ESR并不是越低越好,低ESR电容会引起开关电路振荡。而消振电路复杂同时会导致成本的增加。板卡设计中,这里一般有一个参考值,此作为元件选用参数,避免消振电路而导致成本的增加。

我们把ESR设置为1欧姆:

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我们把ESR设置为10mΩ:

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幅度明显减小

如果我们用2个1Ω,100uF的电容,则会发现纹波电压进一步减小。一方面是电容在开关频率点的阻抗通过并联进一步减小,另一方面,ESR其实也是等效于并联。本质是ESR与电容串联后并联,导致输出电容在开关频率点上的阻抗明显减小。

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ESR、电容的串并联公式等同于电阻的串并联公式。

根据陶瓷电容的datasheet

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在410kHz附近,其ESR大约是2mΩ

所以纹波电压=0.75A*2mΩ=1.5mV

远小于66mV的纹波要求。

所以其实我们设计的时候,考虑到电感值的精度范围、温度漂移。所以,根据我们的成本、PCB空间的要求,还可以适当减小我们电感值的大小。但是,减小时,还需要考虑电感值最差的情况,对纹波进行评估。

电感降额

电感元件的热点温度额定值与线圈线组的绝缘性能、工作电流、瞬态初始电流及介质耐压有关。

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注:

1) THS 为额定热点温度。

2)只适用于扼流圈。

按照我们的设计需求,如果我们的瞬态电流为2A,则需要额定电流为2A/0.9=2.22A,我们需要选择额定电流在2.5A~3A的电感作为输出。Isat和Irms选择小的那个作为额定电流。

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电感选型

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我们选择Irms和Isat都大于2.5A的,DCR相对小一点的10uH电感,最后考虑成本和体积。

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(本文授权转载自微信公众号硬件十万个为什么)

责编:Demi Xia

 

 

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