低功耗電源的電感挑選
超低功率或許超高功率開關電源|穩壓器的電感,并不象通常開關電源那樣簡略挑選。當前慣例的電感都是為一些干流規劃所制作,并不能極好地滿意一些特別規劃。這篇文章首要評論超低功率、超高功率Buck電路的電感挑選疑問。典型使用實例即是小體積電池長期供電設備。在這種電路中,讓工程師感到扎手的疑問首要是電池容量(本錢與體積)與Buck電路體積、功率之間的對立。為了減小開關電源的體積,最佳挑選盡能夠高的開關頻率。可是開關損耗以及輸出電感的損耗會跟著開關頻率的進步而增大,而且很有能夠變成影響功率的首要因素,正是這些對立大大進步了電路規劃的難度。
Buck電路的電感需求
對工程師而言,鐵磁性元件(電感)能夠是最早觸摸的非線性器材。可是依據制作商供給的數據,很難猜測電感在高頻時的損耗。因為制作商通常只供給比方開路電感、作業電流、飽滿電流、直流電阻以及自激頻率等參數。關于大多數開關電源規劃來說,這些參數現已滿足了,而且依據這些參數挑選適宜的電感也十分簡略。可是,關于超低電流、超高頻率開關電源來說,電感磁芯的非線性參數對頻率十分靈敏,其次,頻率也決議了線圈損耗。
關于通常開關電源,有關于直流I2R損耗來說,磁芯損耗簡直能夠忽略不計。所以通常狀況下,除了“自激頻率“這個與頻率有關的參數外,電感簡直沒有其他與頻率有關的參數。可是,關于超低功率、超高頻率體系(電池供電設備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線圈損耗)通常會遠遠大于直流損耗。
大多數磁芯由粉狀磁性資料和陶瓷等粘合資料構成。一個未使用過的磁芯能夠簡略地幻想成由一層薄薄的粘合資料包裹、彼此獨立、具有隨機方向性的很多磁針。因為當前還沒有能夠極好解說磁芯損耗的共同模型,所以選用上述這個經歷模型解說磁芯損耗,在這篇文章結尾的參閱文獻中有更深化的磁芯模型,供讀者參閱。
磁性方向近似的附近磁針會彼此影響,然后構成“聯盟”。盡管這些磁針由粘合資料包裹,物理上彼此獨立,但它們之間的磁場是彼此相關的。咱們稱這些“聯盟”為“單元”。而單元的鴻溝即是內部“聯盟”與外部磁針的切割面。在單元的鴻溝外的磁針比較難與鴻溝內的“聯盟”聯合。咱們稱這些鴻溝為“單元壁”,這個模型常用來解說磁芯的許多基本參數。
在對磁芯施加磁場時(對線圈施加電流),方向不一樣的單元彼此之間有相關。當滿足強的電流構成外加磁場時,那些接近線圈的單元所在的磁場更強,會首要構成聯合(更大的單元)。而此刻處在深一層的單元還未遭到磁場的影響。聯合起來的單元與未遭到影響的單元之間的單元壁會在磁場的效果下,持續向磁芯中間移動。假如線圈中的電流不吊銷或翻轉的話,整個磁芯都將會聯合在一起。整個磁芯的磁針聯合在一起,咱們稱為“飽滿”。電感制作商給出的B-H磁滯回線正表明磁芯從被磁化的初始期間到飽滿期間的進程。假如將電流削弱,那么單元就會向自在的初始態轉變,可是有些單元會持續堅持聯合的狀況。這種不完全的轉化即是剩磁(能夠在磁滯回線中看出)。這種剩磁表象就會鄙人一次單元結合時體現為應力,致使磁芯損耗。
每個周期內的磁滯損耗為：
WH=mH×dI
式中積分為磁滯回線中的包含面積,磁芯從初始電感量到峰值電感量,再回到初始電感量的整個進程。而在開關頻率為F時的能量損耗為：
PH = F×mH×dI
核算這些溝通損耗看起來好像簡略。可是在高頻、中等通流密度下,狀況將反常雜亂。每個電路都存在一些對磁芯損耗有影響的參數,而這些參數通常都很難量化。比方：離散電容、pcb規劃、驅動電壓、脈沖寬度、負載狀況、輸入輸出電壓等。意外的是,磁芯損耗受這些參數影響很嚴重。
每個磁芯資料都有能致使損耗的非線性電導率。正是這個電導率,會因為外加磁場而在磁芯內部誘發會發生損耗 “渦電流”。在安穩磁通量下,磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其間指數n會隨磁芯資料以及制作技術不一樣而不一樣。通常的電感制作商會經過磁芯損耗曲線擬合出經歷的近似公式。
電感參數
磁感應強度B在正激開關電路中能夠由下式表明：
Bpk = Eavg/(4×A×N×f)
式中Bpk為尖峰溝通通流密度(Teslas);Eavg為每半周期均勻溝通電壓;A為磁芯橫截面積(平方米);N為線圈匝數;f為頻率(赫茲)。
通常來講,磁性資料制作商會評價磁芯的額外電感系數－AL。經過AL能夠很簡略的核算出電感量。
L = N2AL
其間AL與磁性資料的摻雜度成正比,也與磁芯的橫截面積除以磁路長度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率,單位為瓦特/立方米。其與制作資料與制作技術息息有關。
線圈損耗包含直流I2R損耗和溝通損耗。其間,溝通損耗首要是因為趨膚效應和附近效應所致使。趨膚效應是指跟著頻率的進步移動的電荷越來越趨于導體外表活動,相當于減小了導體導電的橫截面積,進步了溝通阻抗。比方：在2MHz頻率,導體導電深度(從導體外表筆直向下)大約只要0.00464厘米。這就致使電流密度下降到本來的1/e (大約0.37)。附近效應是指電流在電感相鄰導線所發生的磁場會彼此影響,然后致使所謂的“擁堵電流”,也會進步溝通阻抗。關于趨膚效應,能夠經過多芯電線(同一根導線內含多根細導線)適度減輕。關于那些溝通電流紋波遠小于直流電流的電路,多芯電線能夠有用下降電感的總損耗。
磁芯損耗首要是因為磁滯表象以及磁芯內部傳導率或其他非線性參數的互感發生。在Buck拓撲布局中,榜首象限的B-H磁滯回線對磁芯損耗影響最大。在榜首象限這個部分圖中,磁滯回線顯現了電感從初始電感量過渡到峰值電感量再回到初始電感量的進程。假如開關電源安穩作業在不接連狀況,磁滯回線會從剩下電感量(Br)過渡到峰值電感量(參閱圖1)。假如開關電源作業在接連狀況,那么磁滯回線將會從直流偏置點上升到曲線峰值,再回到直流偏置點。經過試驗能夠斷定磁滯回線的準確曲線形狀(基本上是橢圓曲線)。
磁芯損耗測驗設備
測驗電感功能的最有用辦法即是將被測驗電感放置在結尾開關電源電路上,然后對此電路的功率進行丈量。可是,這種測驗辦法需求有結尾電路,不易選用。如今,有一種相對簡略的測驗辦法,能夠在規劃開關電源前對電感的磁芯損耗進行測驗(在其設定的開關頻點上)。首要,將磁芯串連放置在低損耗電容介質上(比方鍍銀云母)。然后,用一系列共振模驅動。其間介質的電容值需求與被測電感的開關頻率共同。結尾選用網絡分析儀來完結整個測驗進程(信號發生器加上一個射頻伏特計或許功率計也能夠完結測驗)。測驗設備的布局如圖2所示。
在諧振點,低損耗的磁芯能夠當作L-C共振回路。此刻損耗能夠等效為一個純阻元件(包含線圈損耗和磁芯損耗)。在上面的測驗設備中,端子A和R都連接著50Ω電阻。此設備的開路(不包含電感)等效為150Ω負載的振蕩器。在網絡分析儀上能夠表明為：
20×Log(A/R) = 20×Log(50/150) = -9.54 dB
在這個測驗電路中,諧振電容為2000pF,被測電感大約為2.5mH～2.8mH,測驗頻率為1kHz。其間,磁性資料的浸透率是一個與頻率有關的非線性函數,在更高的頻點上,測驗成果有能夠不一樣。
磁芯損耗試驗數據
一個相對磁導率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯,外圍環繞10/44的多芯電線16匝,另一個雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯,外圍環繞10/44的多芯電線8匝。電感量測驗值分別為2.75mHy 和 2.78mHy。榜首個電感盡管是16匝,可是橫截面積是第二個電感的一半。在一樣振幅信號的驅動下,這兩個電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω 和300Ω。相對的,另一個電感(2.5mHy)選用Micrometals公司的十分低的摻雜資料(羰基T25-6 ,相對磁導率為 8.5)。10/44多芯電線34匝。在相同的驅動信號下,他的等效損耗電阻為22000Ω。
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