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電感,只看DCR,飽和電流嗎?

微云疏影 ? 來源:中電網(wǎng) ? 作者:中電網(wǎng) ? 2022-04-12 15:58 ? 次閱讀

開關(guān)電源(指D to D電路,即Buck,Boost等直流轉(zhuǎn)直流拓撲結(jié)構(gòu))電路的設(shè)計中電感的設(shè)計選型為研發(fā)工程師帶來了許多的挑戰(zhàn)。工程師在選型中,常會關(guān)注的如:電感的感值,直流導(dǎo)通阻抗,電感的電流,里面又分很多種叫法,飽和電流,額定電流,溫升電流等等,再資深些的工程師,會關(guān)注電感的繞線結(jié)構(gòu),關(guān)聯(lián)到電感的磁力線方向,如何去優(yōu)化EMC等,機械尺寸,關(guān)聯(lián)到熱阻分布是否均勻等等。更資深的工程師,還會關(guān)注一些電感規(guī)格書標定以外的一些參數(shù),比如ACR,關(guān)聯(lián)到高頻交流損耗,磁芯的矯頑力,剩磁等,關(guān)聯(lián)到一些極限設(shè)計時的耗散功率的損耗等等。絕對大部分的工程師,只關(guān)注了感值,直流導(dǎo)通阻抗,飽和電流。但當產(chǎn)品設(shè)計遇到瓶勁時,卻又不知道問題點出在哪,試了好多方案,興許方向還錯了,拖延了項目研發(fā)周期。以下三體微為你深度剖析電感的選型要點,理解電感的各個參數(shù)要點。

電感的功能

電感常常被理解為開關(guān)電源輸出端中的LC濾波電路中的L(C是其中的輸出電容)。只理解到這個程度還不夠,為了使得電感在設(shè)計中更優(yōu)化,甚至許多場合,發(fā)熱問題和高度問題都聚焦在電感,為了使得整個項目突破限高問題,解決發(fā)熱問題,就必須更深入的了解電感的行為本質(zhì)。

以降壓電源轉(zhuǎn)換(Buck拓撲)舉例,如圖1。電感的一端是連接到DC輸出電壓。另一端通過開關(guān)頻率切換連接到輸入電壓或GND。電路中由功率管Q1和功率續(xù)流二極管CR1來回切換進行工作,隨著半導(dǎo)體工藝的成熟與技術(shù)演進,越來越多的Buck電路CR1已經(jīng)被功率開關(guān)管所取代,但注意,當上管與下管都是功率MOS管時,兩個功率管是不允許同時導(dǎo)通的(同時導(dǎo)通的話,此回路阻抗最低,會直接短路,電路會燒毀),必須以合適的死區(qū)時間進行管理,使得兩管交替工作,即Q1導(dǎo)通時,Q2斷開,Q2導(dǎo)通時,Q1斷開,必須非常精準的進行同步控制,所以也被稱為同步整流電源轉(zhuǎn)換。

20220402140637119.gif

圖1.降壓電源轉(zhuǎn)換基本結(jié)構(gòu)

在狀態(tài)1過程中,電感會通過(上管“high-side”)功率MOS管連接到輸入電壓。在狀態(tài)2過程中,電感連接到GND。兩個狀態(tài)如圖2。

20220402140637467.gif

圖2.Buck電路控制狀態(tài)

現(xiàn)在分析一下在這兩個狀態(tài)下,電感的電流與電壓是如果變化的,如圖3。在狀態(tài)1中,電感的一端連接到輸入電壓,另一端連接到輸出電壓。對于一個降壓轉(zhuǎn)換器,輸入電壓必須比輸出電壓高,因此會在電感上形成正向壓降。在狀態(tài)2中,原來連接到輸入電壓的電感一端被連接到地(通過CR1或者同步整流構(gòu)架的下管)。輸出電壓為正端,因此會在電感上形成負向的壓降。

20220402140637125.gif

圖3.電感在Buck電路中電流與電感的變化過程

我們利用電感上電壓計算公式:V=L(dI/dt)

我們單獨拉出其中一個周期做分析,如圖4,當電感上的電壓為正時(狀態(tài)1),電感上的電流會增加;當電感上的電壓為負時(狀態(tài)2),電感上的電流就會減小。通過電感的電流如圖2所示:

20220402140637522.gif

圖4.電感單個周期的電流狀態(tài)

通過圖4我們可以看到,流過電感的最大電流為DC電流加開關(guān)峰峰電流的一半。上圖也稱為紋波電流。根據(jù)上述的公式,我們可以計算出峰值電流:

20220402140637761.gif

其中,ton是狀態(tài)1的時間,T是開關(guān)周期(開關(guān)頻率的倒數(shù)),DC為狀態(tài)1的占空比。

備注:上面的計算是基于各元器件MOSFET上的導(dǎo)通壓降,電感的導(dǎo)通壓降或異步電路中肖特基二極管的正向壓降)上的壓降對比輸入和輸出電壓是相對可以忽略的簡化公式。

如果,各器件的壓降不作忽略,計算公式會復(fù)雜些:

20220402140637527.gif

其中,Rs為感應(yīng)電阻阻抗加電感繞線電阻的阻。Vf 是肖特基二極管的正向壓降。R是Rs加MOSFET導(dǎo)通電阻,R=Rs+Rm。

詳細講述了某一個周期的電感狀態(tài)的變化,我們開始正式進入電感選型的深度解析,我們知道,開關(guān)電路當中,在設(shè)計中往往遇到高溫以及高度問題的瓶勁時,電感基本都是聚焦點,那么電感的耗散功率到底有哪些部分組成呢?絕大部分的設(shè)計人員,選型電感時只看重DCR,即電感的直流導(dǎo)通阻抗,但已經(jīng)選擇的較低DCR的電感,還是太燙,那就選一個更大尺寸的電感,希望通過更大的體積,接觸空氣的表面積更多,以及本身熱阻更低來降低溫度,但如果體積與高度不允許的情況下呢,沒有退路了, 必須搞清楚電感的耗散功率到底有哪些部分組成。三體微通過成功經(jīng)驗的積累以及大量數(shù)據(jù)分析與你分享以下重要內(nèi)容:

20220402140637577.gif

與Pdcr不同,Pdcr的損耗是下面長方形部分的面積,而Pacr是電感電流三角波部分的面積,這里面有兩個變量,首先是電感自身的ACR是隨頻率變化的,即不同的開關(guān)電源,開關(guān)頻率是不同的,如國際型電源芯片廠商凌力爾特,ADI等,有幾十MHz的電源解決方案,國內(nèi)本土品牌泰科技(ETA)有近10MHz的電源解決方案,當然個別應(yīng)用場景為了其他設(shè)計要求,也有只能選擇低頻開關(guān)頻率的電源方案,頻率越高,電感的ACR值會越差,不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的線圈,不同的磁芯配方,都會導(dǎo)致不同衰減系數(shù)的ACR。以下是三體微一款用于65W無線充低ACR的成品實測曲線,在不同頻率下,電感的ACR會發(fā)生明顯的變化。

20220402140637982.gif

另外一個重要變量,則是開關(guān)電源的占空比,在不同的占空比下,比如19V轉(zhuǎn)16.8V,其占空比是88.42%,和19V轉(zhuǎn)1V,其占空比是5.26%,占空比不同,電感電流的di/dt完全不同,三角波面積也會完全不同,其對ACR的要求也會完全不同,而以上兩組電源轉(zhuǎn)換,是在筆記本電腦當中尤為常見的兩組電壓,分別是給4s電池充電的電路和CPU供電的電路。就拿這兩個常用案例來說,前者,三體微推薦SCHB1040-2R2M,該系列將優(yōu)化點重心放在優(yōu)化DCR上;后者,三體微推薦SCHH0630-R22M,該系列將兼?zhèn)鋬?yōu)化DCR同時優(yōu)化ACR。針對不同應(yīng)用,需要精準判斷尋找適合的解決方案。

另外,關(guān)于Pcore,這基本都是全球頭部電感供應(yīng)商的核心技術(shù),core是電感磁芯的意思,在一體成型電感當中,即磁粉原材料用不同的配方,直接影響Pcore的耗散功率,在磁粉的耗散功率中,又由磁滯損耗,剩余損耗和渦流損耗組成,其中占比最大的是磁滯損耗,其他兩部分不作為主要討論對象。

磁芯材料磁化時,送到磁場的能量有2部分,一部分轉(zhuǎn)化為勢能,即去掉外磁化電流時,磁場能量可以返回電路;而另一部分變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉,這就是磁滯損耗。

20220402140637975.gif

磁化曲線中陰影部分的面積代表了在一個工作周期內(nèi),磁芯在磁化過程中由磁滯現(xiàn)象引起的能量損耗。如上圖可知, 影響損耗面積大小幾個參數(shù)是:最大工作磁通密度B、最大磁場強度H、剩磁Br、矯頑力Hc,其中B和H取決于外部的電場條件和磁芯的尺寸參數(shù),而Br和Hc取決于材料特性。電感磁芯每磁化一周期,就要損耗與磁滯回線包圍面積成正比的能量,頻率越高,損耗功率越大,磁感應(yīng)擺幅越大,包圍面積越大,磁滯損耗越大。三體微有著頂尖的磁粉配方團隊,曾于全球頂尖磁性元器件廠商核心配粉專家組工作十余年。其主要突破重心則是降低剩磁,以及矯頑力,從而使得磁滯面積縮小,抑制其在高頻工作時產(chǎn)生的耗散功率,同時在磁粉配方當中,三體微專屬的解決方案,可降低成品熱阻特性,使得成品與友商在同樣的效率下,發(fā)熱優(yōu)于其他方案,降低熱系數(shù),解決發(fā)熱問題。

電感磁芯的飽和度

通過已經(jīng)計算的電感峰值電流,我們可以發(fā)現(xiàn)電感上產(chǎn)生了什么。很容易會知道,隨著通過電感的電流增加,它的電感量會減小。這是由于磁芯材料的物理特性決定的。電感量會減少多少非常重要,而不僅僅只是看一個飽和電流,如果電感量衰減系數(shù)高,意味著過飽和電流后,衰減極具,反之則有較為平緩的下降幅度,可以應(yīng)用短時間大電流的特殊應(yīng)用場景。要知道,如果在負載出現(xiàn)微短路狀態(tài),如果電感徹底飽和,意味著直通,作為降壓電路,高壓直通到負載,電路會瞬間損壞。以三體微SCCT系列和SCHT系列舉例,其磁衰非常緩慢,針對某些場景,需要特別高的飽和電流,甚至應(yīng)用時個別狀態(tài)會使得電感處于高磁飽狀態(tài)的,是非常適合推薦的。

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可以對比一下市面上抗磁衰普通的電氣性能

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有非常多的應(yīng)用場景,電感的選型著實讓工程師絞盡腦汁,三體微專注于開發(fā)頂尖的功率電感產(chǎn)品和方案鉆研,針對實際應(yīng)用,從整體系統(tǒng)的角度為客戶精準定位,推薦最為合適的產(chǎn)品,縮短整體研發(fā)周期,歡迎關(guān)注三體微,專業(yè)磁性元器件制造商。

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