低功耗电源的电感挑选
超低功率或许超高功率开关电源|稳压器的电感,并不象通常开关电源那样简略挑选。当前惯例的电感都是为一些干流规划所制作,并不能极好地满意一些特别规划。这篇文章首要评论超低功率、超高功率Buck电路的电感挑选疑问。典型使用实例即是小体积电池长期供电设备。在这种电路中,让工程师感到扎手的疑问首要是电池容量(本钱与体积)与Buck电路体积、功率之间的对立。为了减小开关电源的体积,最佳挑选尽能够高的开关频率。可是开关损耗以及输出电感的损耗会跟着开关频率的进步而增大,而且很有能够变成影响功率的首要因素,正是这些对立大大进步了电路规划的难度。
Buck电路的电感需求
对工程师而言,铁磁性元件(电感)能够是最早触摸的非线性器材。可是依据制作商供给的数据,很难猜测电感在高频时的损耗。因为制作商通常只供给比方开路电感、作业电流、饱满电流、直流电阻以及自激频率等参数。关于大多数开关电源规划来说,这些参数现已满足了,而且依据这些参数挑选适宜的电感也十分简略。可是,关于超低电流、超高频率开关电源来说,电感磁芯的非线性参数对频率十分灵敏,其次,频率也决议了线圈损耗。
关于通常开关电源,有关于直流I2R损耗来说,磁芯损耗简直能够忽略不计。所以通常状况下,除了“自激频率“这个与频率有关的参数外,电感简直没有其他与频率有关的参数。可是,关于超低功率、超高频率体系(电池供电设备),这些高频损耗(磁芯损耗和线圈损耗)通常会远远大于直流损耗。
大多数磁芯由粉状磁性资料和陶瓷等粘合资料构成。一个未使用过的磁芯能够简略地幻想成由一层薄薄的粘合资料包裹、彼此独立、具有随机方向性的很多磁针。因为当前还没有能够极好解说磁芯损耗的共同模型,所以选用上述这个经历模型解说磁芯损耗,在这篇文章结尾的参阅文献中有更深化的磁芯模型,供读者参阅。
磁性方向近似的附近磁针会彼此影响,然后构成“联盟”。尽管这些磁针由粘合资料包裹,物理上彼此独立,但它们之间的磁场是彼此相关的。咱们称这些“联盟”为“单元”。而单元的鸿沟即是内部“联盟”与外部磁针的切割面。在单元的鸿沟外的磁针比较难与鸿沟内的“联盟”联合。咱们称这些鸿沟为“单元壁”,这个模型常用来解说磁芯的许多基本参数。
在对磁芯施加磁场时(对线圈施加电流),方向不一样的单元彼此之间有相关。当满足强的电流构成外加磁场时,那些接近线圈的单元所在的磁场更强,会首要构成联合(更大的单元)。而此刻处在深一层的单元还未遭到磁场的影响。联合起来的单元与未遭到影响的单元之间的单元壁会在磁场的效果下,持续向磁芯中间移动。假如线圈中的电流不吊销或翻转的话,整个磁芯都将会联合在一起。整个磁芯的磁针联合在一起,咱们称为“饱满”。电感制作商给出的B-H磁滞回线正表明磁芯从被磁化的初始期间到饱满期间的进程。假如将电流削弱,那么单元就会向自在的初始态转变,可是有些单元会持续坚持联合的状况。这种不完全的转化即是剩磁(能够在磁滞回线中看出)。这种剩磁表象就会鄙人一次单元结合时体现为应力,致使磁芯损耗。
每个周期内的磁滞损耗为：
WH=mH×dI
式中积分为磁滞回线中的包含面积,磁芯从初始电感量到峰值电感量,再回到初始电感量的整个进程。而在开关频率为F时的能量损耗为：
PH = F×mH×dI
核算这些沟通损耗看起来好像简略。可是在高频、中等通流密度下,状况将反常杂乱。每个电路都存在一些对磁芯损耗有影响的参数,而这些参数通常都很难量化。比方：离散电容、pcb规划、驱动电压、脉冲宽度、负载状况、输入输出电压等。意外的是,磁芯损耗受这些参数影响很严重。
每个磁芯资料都有能致使损耗的非线性电导率。正是这个电导率,会因为外加磁场而在磁芯内部诱发会发生损耗 “涡电流”。在安稳磁通量下,磁芯损耗大致与频率n次方成正比。其间指数n会随磁芯资料以及制作技术不一样而不一样。通常的电感制作商会经过磁芯损耗曲线拟合出经历的近似公式。
电感参数
磁感应强度B在正激开关电路中能够由下式表明：
Bpk = Eavg/(4×A×N×f)
式中Bpk为尖峰沟通通流密度(Teslas);Eavg为每半周期均匀沟通电压;A为磁芯横截面积(平方米);N为线圈匝数;f为频率(赫兹)。
通常来讲,磁性资料制作商会评价磁芯的额外电感系数－AL。经过AL能够很简略的核算出电感量。
L = N2AL
其间AL与磁性资料的掺杂度成正比,也与磁芯的横截面积除以磁路长度成正比。磁芯的总损耗等于磁芯的体积乘以Bpk乘以频率,单位为瓦特/立方米。其与制作资料与制作技术息息有关。
线圈损耗包含直流I2R损耗和沟通损耗。其间,沟通损耗首要是因为趋肤效应和附近效应所致使。趋肤效应是指跟着频率的进步移动的电荷越来越趋于导体外表活动,相当于减小了导体导电的横截面积,进步了沟通阻抗。比方：在2MHz频率,导体导电深度(从导体外表笔直向下)大约只要0.00464厘米。这就致使电流密度下降到本来的1/e (大约0.37)。附近效应是指电流在电感相邻导线所发生的磁场会彼此影响,然后致使所谓的“拥堵电流”,也会进步沟通阻抗。关于趋肤效应,能够经过多芯电线(同一根导线内含多根细导线)适度减轻。关于那些沟通电流纹波远小于直流电流的电路,多芯电线能够有用下降电感的总损耗。
磁芯损耗首要是因为磁滞表象以及磁芯内部传导率或其他非线性参数的互感发生。在Buck拓扑布局中,榜首象限的B-H磁滞回线对磁芯损耗影响最大。在榜首象限这个部分图中,磁滞回线显现了电感从初始电感量过渡到峰值电感量再回到初始电感量的进程。假如开关电源安稳作业在不接连状况,磁滞回线会从剩下电感量(Br)过渡到峰值电感量(参阅图1)。假如开关电源作业在接连状况,那么磁滞回线将会从直流偏置点上升到曲线峰值,再回到直流偏置点。经过试验能够断定磁滞回线的准确曲线形状(基本上是椭圆曲线)。
磁芯损耗测验设备
测验电感功能的最有用办法即是将被测验电感放置在结尾开关电源电路上,然后对此电路的功率进行丈量。可是,这种测验办法需求有结尾电路,不易选用。如今,有一种相对简略的测验办法,能够在规划开关电源前对电感的磁芯损耗进行测验(在其设定的开关频点上)。首要,将磁芯串连放置在低损耗电容介质上(比方镀银云母)。然后,用一系列共振模驱动。其间介质的电容值需求与被测电感的开关频率共同。结尾选用网络分析仪来完结整个测验进程(信号发生器加上一个射频伏特计或许功率计也能够完结测验)。测验设备的布局如图2所示。
在谐振点,低损耗的磁芯能够当作L-C共振回路。此刻损耗能够等效为一个纯阻元件(包含线圈损耗和磁芯损耗)。在上面的测验设备中,端子A和R都连接着50Ω电阻。此设备的开路(不包含电感)等效为150Ω负载的振荡器。在网络分析仪上能够表明为：
20×Log(A/R) = 20×Log(50/150) = -9.54 dB
在这个测验电路中,谐振电容为2000pF,被测电感大约为2.5mH～2.8mH,测验频率为1kHz。其间,磁性资料的浸透率是一个与频率有关的非线性函数,在更高的频点上,测验成果有能够不一样。
磁芯损耗试验数据
一个相对磁导率为125mr的单层铁镍钼薄片磁芯,外围环绕10/44的多芯电线16匝,另一个双层250掺杂度的镍铁钼磁粉芯,外围环绕10/44的多芯电线8匝。电感量测验值分别为2.75mHy 和 2.78mHy。榜首个电感尽管是16匝,可是横截面积是第二个电感的一半。在一样振幅信号的驱动下,这两个电感的损耗都很高。等效电阻分别为360Ω 和300Ω。相对的,另一个电感(2.5mHy)选用Micrometals公司的十分低的掺杂资料(羰基T25-6 ,相对磁导率为 8.5)。10/44多芯电线34匝。在相同的驱动信号下,他的等效损耗电阻为22000Ω。
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