новини

Резюме

Котушки індуктивності є дуже важливими компонентами комутаційних перетворювачів, таких як накопичувачі енергії та силові фільтри. Існує багато типів котушок індуктивності, наприклад, для різних застосувань (від низькочастотних до високочастотних), або різні матеріали сердечника, які впливають на характеристики індуктора тощо. Котушки індуктивності, що використовуються в комутаційних перетворювачах, є високочастотними магнітними компонентами. Однак через різні фактори, такі як матеріали, умови експлуатації (наприклад, напруга та сила струму) і температура навколишнього середовища, представлені характеристики та теорії досить різні. Тому при проектуванні схеми, крім основного параметра величини індуктивності, все ще слід враховувати зв’язок між опором котушки індуктивності та опором і частотою змінного струму, втратами в сердечнику та характеристиками струму насичення тощо. Ця стаття познайомить із кількома важливими матеріалами сердечника індуктивності та їхніми характеристиками, а також допоможе енергетикам вибрати комерційно доступні стандартні котушки індуктивності.

Передмова

Індуктор - це елемент електромагнітної індукції, який утворюється шляхом намотування певної кількості котушок (котушки) на бобіну або сердечник з ізольованим дротом. Цю котушку називають котушкою індуктивності або індуктором. Відповідно до принципу електромагнітної індукції, коли котушка та магнітне поле рухаються відносно один одного, або коли котушка генерує змінне магнітне поле через змінний струм, буде генеруватися індукована напруга, щоб протистояти зміні початкового магнітного поля, і ця характеристика стримування зміни струму називається індуктивністю.

Формула значення індуктивності має вигляд формули (1), яка пропорційна магнітній проникності, квадрату витків обмотки N і площі поперечного перерізу еквівалентного магнітного кола Ae і обернено пропорційна довжині еквівалентного магнітного кола le . Існує багато типів індуктивності, кожна з яких підходить для різних застосувань; індуктивність пов'язана з формою, розміром, способом намотування, кількістю витків і типом проміжного магнітного матеріалу.

(1)

Залежно від форми залізного сердечника, індуктивність включає в себе тороїдальний, Е-сердечник і барабан; з точки зору матеріалу залізного сердечника, є в основному керамічний сердечник і два типи м’яких магнітів. Це ферит і металевий порошок. Залежно від структури або методу пакування розрізняють намотаний дріт, багатошаровий і формований, причому намотаний дріт має неекранований і половинний магнітний клей, екранований (напівекранований) і екранований (екранований) тощо.

Котушка індуктивності діє як коротке замикання в постійному струмі та створює високий опір для змінного струму. Основне використання в схемах включає дросель, фільтрацію, налаштування та зберігання енергії. У застосуванні комутаційного перетворювача індуктивність є найважливішим компонентом зберігання енергії та утворює фільтр низьких частот із вихідним конденсатором для зменшення пульсацій вихідної напруги, тому він також відіграє важливу роль у функції фільтрації.

Ця стаття представить різні матеріали сердечника індукторів та їхні характеристики, а також деякі електричні характеристики індукторів, як важливу оцінку для вибору індукторів під час проектування схеми. У прикладі застосування на практичних прикладах буде показано, як обчислити значення індуктивності та як вибрати комерційно доступний стандартний індуктор.

Тип основного матеріалу

Котушки індуктивності, що використовуються в комутаційних перетворювачах, є високочастотними магнітними компонентами. Матеріал сердечника в центрі найбільше впливає на характеристики котушки індуктивності, такі як імпеданс і частота, значення індуктивності та частота або характеристики насичення сердечника. Нижче наведено порівняння кількох поширених матеріалів із залізного сердечника та їх характеристики насичення як важливу орієнтиру для вибору силових індукторів:

1. Керамічне ядро

Керамічний сердечник є одним із поширених матеріалів індуктивності. В основному він використовується для забезпечення опорної конструкції, яка використовується під час намотування котушки. Його також називають «індуктор з повітряним сердечником». Оскільки використаний залізний сердечник є немагнітним матеріалом з дуже низьким температурним коефіцієнтом, значення індуктивності є дуже стабільним у діапазоні робочих температур. Однак через немагнітний матеріал як середовище індуктивність дуже низька, що не дуже підходить для застосування перетворювачів енергії.

2. Ферит

Феритовий сердечник, який використовується у звичайних високочастотних котушках індуктивності, є феритовою сполукою, що містить нікель-цинк (NiZn) або марганець-цинк (MnZn), який є магнітом’яким феромагнітним матеріалом із низькою коерцитивною силою. На малюнку 1 показана крива гістерезису (петля BH) загального магнітопровода. Коерцитивна сила HC магнітного матеріалу також називається коерцитивною силою, що означає, що коли магнітний матеріал намагнічено до магнітного насичення, його намагніченість (намагніченість) зменшується до нуля. Необхідна напруженість магнітного поля в той час. Менша коерцитивна сила означає менший опір розмагнічуванню, а також менші втрати на гістерезис.

Марганцево-цинкові і нікель-цинкові ферити мають відносно високу відносну проникність (мкр), близько 1500-15000 і 100-1000 відповідно. Їх висока магнітна проникність робить залізне ядро ​​вище в певному обсязі. Індуктивність. Однак недоліком є ​​те, що його допустимий струм насичення низький, і коли залізний сердечник насичений, магнітна проникність різко впаде. Зверніться до малюнку 4, щоб побачити тенденцію до зменшення магнітної проникності феритових і порошкових залізних сердечників, коли залізний сердечник насичений. Порівняння. При використанні в силових котушках індуктивності в основному магнітному ланцюзі залишиться повітряний зазор, який може зменшити проникність, уникнути насичення та зберігати більше енергії; якщо включено повітряний зазор, еквівалентна відносна проникність може становити приблизно 20-200. Оскільки високий питомий опір самого матеріалу може зменшити втрати, спричинені вихровими струмами, втрати нижчі на високих частотах, і це більше підходить для високочастотні трансформатори, індуктори фільтрів електромагнітних перешкод та індуктори накопичення енергії перетворювачів енергії. З точки зору робочої частоти, нікель-цинковий ферит підходить для використання (>1 МГц), тоді як марганцево-цинковий ферит підходить для нижчих діапазонів частот (<2 МГц).

1

Рисунок 1. Крива гістерезису магнітопровода (BR: залишкова намагніченість; BSAT: щільність магнітного потоку насичення)

3. Сердечник з порошкового заліза

Сердечники з порошкового заліза також є магнітом'якими феромагнітними матеріалами. Виготовляються з порошкових сплавів заліза з різних матеріалів або тільки з порошку заліза. Формула містить немагнітні матеріали з різними розмірами частинок, тому крива насичення відносно м'яка. Сердечник порошкового заліза в основному тороїдальний. На малюнку 2 показано серцевину з порошкового заліза та її поперечний переріз.

Звичайні порошкоподібні залізні сердечники включають залізо-нікель-молібденовий сплав (MPP), сендуст (Sendust), залізо-нікелевий сплав (високий потік) і залізний порошок (залізний порошок). Через різні компоненти його характеристики та ціни також відрізняються, що впливає на вибір індукторів. Далі буде представлено вищезгадані типи ядер і порівняні їхні характеристики:

A. Залізо-нікель-молібденовий сплав (MPP)

Сплав Fe-Ni-Mo скорочено позначається як MPP, що є абревіатурою порошку моліпермалою. Відносна проникність становить близько 14-500, а щільність магнітного потоку насичення становить близько 7500 Гаус (Гаус), що вище, ніж щільність магнітного потоку насичення фериту (приблизно 4000-5000 Гаус). Багато вийшли. MPP має найменші втрати заліза та має найкращу температурну стабільність серед сердечників із порошкового заліза. Коли зовнішній постійний струм досягає струму насичення ISAT, значення індуктивності повільно зменшується без різкого загасання. MPP має кращу продуктивність, але вищу вартість, і зазвичай використовується як силовий індуктор і фільтр EMI для силових перетворювачів.

Б. Сендаст

Залізне ядро ​​із залізо-кремнієво-алюмінієвого сплаву — це залізне ядро ​​зі сплаву, що складається із заліза, кремнію та алюмінію, з відносною магнітною проникністю приблизно від 26 до 125. Втрати заліза залежать від осердя із залізного порошку та MPP і залізо-нікелевого сплаву. . Щільність магнітного потоку насичення вище, ніж MPP, приблизно 10500 Гаус. Температурна стабільність і характеристики струму насичення трохи поступаються MPP і залізо-нікелевому сплаву, але краще, ніж залізний порошковий сердечник і феритовий сердечник, а відносна вартість дешевша, ніж MPP і залізо-нікелевий сплав. Він в основному використовується в схемах фільтрації електромагнітних перешкод, корекції коефіцієнта потужності (PFC) і силових індукторах імпульсних перетворювачів потужності.

C. Залізо-нікелевий сплав (високоплавкий)

Сердечник із залізо-нікелевого сплаву виготовлений із заліза та нікелю. Відносна магнітна проникність становить близько 14-200. Втрати заліза та температурна стабільність знаходяться між MPP та залізо-кремнієво-алюмінієвим сплавом. Сердечник із залізо-нікелевого сплаву має найвищу щільність магнітного потоку насичення, близько 15 000 Гаусс, і може витримувати більші постійні струми зміщення, а його характеристики зміщення постійного струму також кращі. Сфера застосування: активна корекція коефіцієнта потужності, індуктивність накопичення енергії, індуктивність фільтра, високочастотний трансформатор зворотнього перетворювача тощо.

D. Залізний порошок

Серцевина порошку заліза складається з частинок порошку заліза високої чистоти з дуже дрібними частинками, ізольованими одна від одної. Процес виробництва забезпечує розподілений повітряний зазор. На додаток до кільцевої форми, звичайні форми сердечника із залізного порошку також мають тип E та тип штампування. Відносна магнітна проникність сердечника із залізного порошку становить приблизно від 10 до 75, а щільність магнітного потоку високого насичення становить приблизно 15000 Гаус. Серед сердечників із порошкового заліза порошкове залізо має найвищі втрати заліза, але найнижчу вартість.

На рисунку 3 показані криві BH марганцево-цинкового фериту PC47 виробництва TDK і порошкових залізних сердечників -52 і -2 виробництва MICROMETALS; відносна магнітна проникність марганцево-цинкового фериту значно вища, ніж у порошкоподібних залізних сердечників, і є насиченою. Щільність магнітного потоку також дуже різна, ферит становить приблизно 5000 Гаус, а порошкове залізо – більше 10000 Гаус.

3

Рисунок 3. Крива BH марганцево-цинкових феритових і залізних порошкових сердечників з різних матеріалів

Підсумовуючи, характеристики насичення залізного сердечника різні; як тільки струм насичення буде перевищено, магнітна проникність феритового сердечника різко впаде, тоді як сердечник із залізного порошку може повільно зменшуватися. На малюнку 4 показано характеристики падіння магнітної проникності порошкового залізного сердечника з однаковою магнітною проникністю та фериту з повітряним зазором за різних напруженостей магнітного поля. Це також пояснює індуктивність феритового сердечника, оскільки проникність різко падає, коли сердечник насичений, як видно з рівняння (1), це також призводить до різкого падіння індуктивності; у той час як порошковий сердечник із розподіленим повітряним проміжком магнітна проникність зменшується повільно, коли залізний сердечник насичений, тому індуктивність зменшується м’якше, тобто він має кращі характеристики зміщення постійного струму. При застосуванні силових перетворювачів ця характеристика дуже важлива; якщо характеристика повільного насичення котушки індуктивності є поганою, струм індуктивності зростає до струму насичення, а раптове падіння індуктивності спричинить різке зростання напруги струму перемикаючого кристала, що легко спричинити пошкодження.

4

Малюнок 4. Характеристики падіння магнітної проникності сердечника з порошкового заліза та сердечника з феритового заліза з повітряним зазором за різної напруженості магнітного поля.

Електричні характеристики індуктора та будова корпусу

Під час розробки комутаційного перетворювача та вибору котушки індуктивності значення індуктивності L, імпеданс Z, опір змінному струму ACR і значення Q (коефіцієнт якості), номінальний струм IDC і ISAT, втрати в сердечнику (втрати в сердечнику) та інші важливі електричні характеристики розглядатися. Крім того, структура упаковки котушки індуктивності впливатиме на величину магнітного витоку, що, у свою чергу, впливає на електромагнітні перешкоди. Нижче буде розглянуто вищезазначені характеристики окремо як міркування для вибору котушок індуктивності.

1. Значення індуктивності (L)

Значення індуктивності котушки індуктивності є найважливішим основним параметром при проектуванні схеми, але необхідно перевірити, чи значення індуктивності є стабільним на робочій частоті. Номінальне значення індуктивності зазвичай вимірюється при 100 кГц або 1 МГц без зовнішнього зміщення постійного струму. А щоб забезпечити можливість масового автоматизованого виробництва, допуск індуктора зазвичай становить ±20% (M) і ±30% (N). На малюнку 5 представлено графік частотно-індуктивної характеристики котушки індуктивності Taiyo Yuden NR4018T220M, виміряний вимірювачем LCR Вейна Керра. Як показано на малюнку, крива значення індуктивності відносно плоска до 5 МГц, і значення індуктивності майже можна вважати константою. У смузі високих частот через резонанс, створений паразитною ємністю та індуктивністю, значення індуктивності збільшиться. Ця резонансна частота називається власною резонансною частотою (SRF), яка зазвичай має бути набагато вищою за робочу частоту.

5

Малюнок 5, діаграма вимірювання частотно-індуктивної характеристики Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Імпеданс (Z)

Як показано на малюнку 6, діаграму імпедансу також можна побачити з характеристик індуктивності на різних частотах. Імпеданс котушки індуктивності приблизно пропорційний частоті (Z=2πfL), тому, чим вища частота, реактивний опір буде набагато більшим, ніж опір змінного струму, тому імпеданс поводиться як чиста індуктивність (фаза дорівнює 90˚). На високих частотах через ефект паразитної ємності можна побачити саморезонансну частотну точку імпедансу. Після цього імпеданс падає і стає ємнісним, а фаза поступово змінюється до -90 ˚.

6

3. Значення добротності та опір змінному струму (ACR)

Значення Q у визначенні індуктивності - це відношення реактивного опору до опору, тобто відношення уявної частини до дійсної частини імпедансу, як у формулі (2).

(2)

Де XL – реактивний опір котушки індуктивності, а RL – опір змінному струму котушки індуктивності.

У діапазоні низьких частот опір змінного струму більший, ніж реактивний опір, викликаний індуктивністю, тому його значення Q дуже низьке; зі збільшенням частоти реактивний опір (приблизно 2πfL) стає все більшим і більшим, навіть якщо опір через скін-ефект (шкір-ефект) і ефект близькості (проксимити) Ефект стає все більшим і більшим, і значення Q все ще зростає з частотою ; при наближенні до SRF індуктивний реактивний опір поступово компенсується ємнісним реактивним опором, і значення Q поступово стає меншим; коли SRF стає нульовим, оскільки індуктивний реактивний опір і ємнісний реактивний опір повністю однакові, зникають. На рисунку 7 показано залежність між значенням Q і частотою NR4018T220M, яка має форму перевернутого дзвона.

7

Рисунок 7. Зв’язок між значенням Q і частотою індуктора Taiyo Yuden NR4018T220M

У смузі частот індуктивності застосування, чим вище значення Q, тим краще; це означає, що його реактивний опір набагато більше, ніж опір змінного струму. Загалом, найкраще значення Q вище 40, що означає хорошу якість індуктора. Однак, як правило, зі збільшенням зміщення постійного струму значення індуктивності зменшиться, а значення Q також зменшиться. Якщо використовується плоский емальований дріт або багатожильний емальований дріт, скін-ефект, тобто опір змінному струму, можна зменшити, а також збільшити значення Q індуктора.

Опір постійному струму DCR зазвичай розглядається як опір постійному струму мідного дроту, і опір можна розрахувати відповідно до діаметра та довжини дроту. Однак більшість малострумових індукторів SMD використовують ультразвукове зварювання для виготовлення мідного листа SMD на клемі обмотки. Однак, оскільки мідний дріт недовгий і значення опору невелике, опір зварювання часто становить значну частку загального опору постійному струму. Візьмемо для прикладу дротяний індуктор SMD CLF6045NIT-1R5N від TDK, виміряний опір постійному струму становить 14,6 мОм, а опір постійному струму, розрахований на основі діаметра та довжини дроту, становить 12,1 мОм. Результати показують, що цей опір зварюванню становить приблизно 17% від загального опору постійному струму.

Опір змінному струму ACR має скін-ефект і ефект близькості, що призведе до збільшення ACR із частотою; у застосуванні загальної індуктивності, оскільки компонент змінного струму набагато нижчий, ніж компонент постійного струму, вплив, викликаний ACR, неочевидний; але при невеликому навантаженні, оскільки компонент постійного струму зменшується, втрати, спричинені ACR, не можна ігнорувати. Скін-ефект означає, що за умов змінного струму розподіл струму всередині провідника нерівномірний і зосереджений на поверхні дроту, що призводить до зменшення еквівалентної площі поперечного перерізу дроту, що, у свою чергу, збільшує еквівалентний опір дроту з частота. Крім того, у обмотці дроту сусідні дроти спричинятимуть додавання та віднімання магнітних полів через струм, так що струм зосереджується на поверхні, прилеглій до дроту (або найдальшій поверхні, залежно від напрямку струму). ), що також спричиняє еквівалентне перехоплення дроту. Явище, коли площа зменшується, а еквівалентний опір збільшується, є так званим ефектом близькості; у застосуванні індуктивності багатошарової обмотки ефект близькості ще більш очевидний.

8

На рисунку 8 показано залежність між опором змінного струму та частотою дротяного індуктора SMD NR4018T220M. На частоті 1 кГц опір становить близько 360 мОм; при 100 кГц опір зростає до 775 мОм; на 10 МГц значення опору близько до 160 Ом. Під час оцінки втрат міді розрахунок повинен враховувати ACR, спричинений ефектом шкірного покриття та близькості, і модифікувати його за формулою (3).

4. Струм насичення (ISAT)

Струм насичення ISAT – це, як правило, струм зсуву, який позначається, коли значення індуктивності послаблюється, наприклад, на 10%, 30% або 40%. Для фериту з повітряним проміжком, оскільки його характеристика струму насичення є дуже швидкою, немає великої різниці між 10% і 40%. Зверніться до малюнку 4. Однак, якщо це порошковий залізний сердечник (наприклад, штампована котушка індуктивності), крива насичення є відносно пологою, як показано на малюнку 9, струм зміщення при 10% або 40% ослаблення індуктивності є значно більшим. різні, тому значення струму насичення буде обговорюватися окремо для двох типів залізних сердечників, як показано нижче.

Для фериту з повітряним зазором доцільно використовувати ISAT як верхню межу максимального струму індуктивності для схемних застосувань. Однак, якщо це сердечник із залізного порошку, через характеристику повільного насичення проблем не виникне, навіть якщо максимальний струм прикладної схеми перевищує ISAT. Таким чином, ця характеристика залізного сердечника найбільше підходить для додатків комутаційного перетворювача. Під великим навантаженням, хоча значення індуктивності котушки індуктивності низьке, як показано на малюнку 9, коефіцієнт пульсацій струму високий, але допуск струму конденсатора струму високий, тому це не буде проблемою. Під невеликим навантаженням значення індуктивності індуктора більше, що допомагає зменшити пульсації струму індуктора, тим самим зменшуючи втрати заліза. На малюнку 9 порівнюється крива струму насичення намотаного феритового TDK SLF7055T1R5N і індуктора SPM6530T1R5M із штампованим залізним порошком за однакового номінального значення індуктивності.

9

Малюнок 9. Крива струму насичення намотаного феритового сердечника та штампованого залізного порошку за однакового номінального значення індуктивності

5. Номінальний струм (IDC)

Значення IDC — це зсув постійного струму, коли температура індуктора підвищується до Tr˚C. Специфікації також вказують його значення опору постійному струму RDC при 20˚C. Згідно з температурним коефіцієнтом мідного дроту приблизно 3930 частин на мільйон, коли температура Tr підвищується, значення його опору становить RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), а його споживана потужність PCU = I2DCxRDC. Ці втрати міді розсіюються на поверхні індуктора, і термічний опір ΘTH індуктора можна розрахувати:

(2)

Таблиця 2 посилається на специфікацію серії TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 мм) і розраховує термічний опір при підвищенні температури на 40˚C. Очевидно, що для котушок індуктивності однакової серії та розміру розрахунковий тепловий опір практично однаковий за рахунок однакової площі тепловіддачі поверхні; іншими словами, можна оцінити номінальний струм IDC різних індукторів. Різні серії (упаковки) індукторів мають різний термічний опір. У таблиці 3 наведено порівняння термічного опору котушок індуктивності серії TDK VLS6045EX (напівекрановані) та серії SPM6530 (формовані). Чим більший термічний опір, тим вище підвищення температури виникає, коли індуктивність протікає через струм навантаження; в іншому випадку нижчий.

(2)

Таблиця 2. Тепловий опір котушок серії VLS6045EX при підвищенні температури на 40˚C

З таблиці 3 видно, що навіть якщо розміри індукторів однакові, термічний опір штампованих індукторів низький, тобто тепловіддача краща.

(3)

Таблиця 3. Порівняння термічного опору індукторів різних корпусів.

6. Втрата сердечника

Втрати в сердечнику, які називаються втратами в залізі, в основному викликані втратами на вихрові струми та втратами на гістерезис. Розмір втрат на вихрові струми в основному залежить від того, чи легко «проводити» матеріал сердечника; якщо провідність висока, тобто питомий опір низький, втрати на вихрові струми великі, а якщо питомий опір фериту високий, втрати на вихрові струми відносно невеликі. Втрати на вихрові струми також пов'язані з частотою. Чим вища частота, тим більші втрати на вихрові струми. Тому матеріал сердечника визначатиме правильну робочу частоту сердечника. Взагалі кажучи, робоча частота сердечника із залізного порошку може досягати 1 МГц, а робоча частота фериту може досягати 10 МГц. Якщо робоча частота перевищує цю частоту, втрати на вихрові струми швидко зростуть, а також підвищиться температура залізного сердечника. Однак із швидким розвитком матеріалів із залізних сердечників, залізні сердечники з більш високими робочими частотами мають бути не за горами.

Іншими втратами в залізі є втрати на гістерезис, які пропорційні площі, обмеженій кривою гістерезису, яка пов’язана з амплітудою коливання змінного компонента струму; чим більше коливання змінного струму, тим більші втрати на гістерезис.

У еквівалентній схемі котушки індуктивності резистор, підключений паралельно індуктору, часто використовується для вираження втрат у залізі. Коли частота дорівнює SRF, індуктивний реактивний опір і ємнісний реактивний опір компенсуються, а еквівалентний реактивний опір дорівнює нулю. У цей час імпеданс котушки індуктивності еквівалентний опору втрат у залізі послідовно з опором обмотки, а опір втрат у залізі набагато більший, ніж опір обмотки, тому імпеданс при SRF приблизно дорівнює опору втрат у залізі. Візьмемо як приклад індуктор низької напруги, його опір втрат у залізі становить приблизно 20 кОм. Якщо ефективне значення напруги на обох кінцях котушки індуктивності оцінюється як 5 В, його втрати в залізі становлять близько 1,25 мВт, що також показує, що чим більший опір втрат у залізі, тим краще.

7. Будова щита

Конструкція упаковки феритових індукторів включає неекрановані, напівекрановані магнітним клеєм і екрановані, і в обох з них є значний повітряний зазор. Очевидно, що повітряний проміжок матиме магнітний витік, і в гіршому випадку він буде заважати навколишнім малим сигнальним ланцюгам, або, якщо поблизу є магнітний матеріал, його індуктивність також буде змінено. Іншою структурою пакування є штампований індуктор із залізного порошку. Оскільки всередині котушки індуктивності немає зазору, а структура обмотки суцільна, проблема розсіювання магнітного поля є відносно невеликою. На малюнку 10 показано використання функції ШПФ осцилографа RTO 1004 для вимірювання величини магнітного поля витоку на 3 мм вище та збоку від штампованого індуктора. У таблиці 4 наведено порівняння магнітного поля витоку індукторів різної структури корпусу. Можна побачити, що неекрановані котушки індуктивності мають найсерйозніший магнітний витік; штамповані котушки індуктивності мають найменший магнітний витік, демонструючи найкращий ефект магнітного екранування. . Різниця в величині магнітного поля витоку індукторів цих двох структур становить близько 14 дБ, що майже в 5 разів.

10

Рисунок 10. Величина магнітного поля витоку, виміряна на 3 мм вище та збоку від штампованого індуктора

(4)

Таблиця 4. Порівняння магнітного поля витоку індукторів різної структури корпусу

8. муфта

У деяких додатках інколи на друкованій платі є кілька наборів перетворювачів постійного струму, які зазвичай розташовані поруч один з одним, а їхні відповідні котушки індуктивності також розташовані поруч один з одним. Якщо ви використовуєте неекранований або напівекранований тип із магнітним клеєм, котушки індуктивності можуть з’єднуватися один з одним, створюючи електромагнітні перешкоди. Тому, розміщуючи індуктор, рекомендується спочатку позначити полярність індуктора та підключити початкову точку та точку намотування внутрішнього шару індуктора до напруги перемикання перетворювача, наприклад VSW понижувального перетворювача, яка є рухомою точкою. Вихідна клема підключена до вихідного конденсатора, який є статичною точкою; тому обмотка мідного дроту утворює певний ступінь екранування електричного поля. У розташуванні проводки мультиплексора фіксація полярності індуктивності допомагає фіксувати величину взаємної індуктивності та уникнути деяких неочікуваних проблем з електромагнітними перешкодами.

Застосування:

У попередньому розділі обговорювалися матеріал сердечника, структура корпусу та важливі електричні характеристики індуктора. У цьому розділі пояснюється, як вибрати відповідне значення індуктивності понижувального перетворювача, а також міркування щодо вибору комерційно доступного індуктора.

Як показано в рівнянні (5), значення індуктивності та частота перемикання перетворювача впливатимуть на струм пульсацій індуктивності (ΔiL). Пульсаційний струм індуктора буде проходити через вихідний конденсатор і впливати на пульсаційний струм вихідного конденсатора. Таким чином, це вплине на вибір вихідного конденсатора та додатково вплине на величину пульсацій вихідної напруги. Крім того, значення індуктивності та значення вихідної ємності також впливатимуть на структуру зворотного зв’язку системи та динамічний відгук навантаження. Вибір більшого значення індуктивності зменшує струмове навантаження на конденсатор, а також сприяє зменшенню пульсацій вихідної напруги та може зберігати більше енергії. Однак більше значення індуктивності свідчить про більший обсяг, тобто більш високу вартість. Тому при проектуванні перетворювача дуже важливим є проект значення індуктивності.

(5)

З формули (5) видно, що коли розрив між вхідною напругою та вихідною напругою більший, пульсаційний струм індуктора буде більшим, що є найгіршим варіантом конструкції індуктора. У поєднанні з іншим індуктивним аналізом розрахункову точку індуктивності понижувального перетворювача зазвичай слід вибирати за умов максимальної вхідної напруги та повного навантаження.

При проектуванні значення індуктивності необхідно зробити компроміс між струмом пульсацій індуктора та розміром індуктора, а коефіцієнт пульсацій струму (коефіцієнт струму пульсацій; γ) визначається тут, як у формулі (6).

（6）

Підставивши формулу (6) у формулу (5), величину індуктивності можна виразити формулою (7).

（7）

Відповідно до формули (7), коли різниця між вхідною та вихідною напругою більша, значення γ можна вибрати більшим; навпаки, якщо вхідна та вихідна напруги ближчі, розрахункове значення γ має бути меншим. Щоб вибрати між струмом пульсацій індуктора та розміром, відповідно до традиційного значення досвіду проектування, γ зазвичай становить від 0,2 до 0,5. Нижче наведено RT7276 як приклад для ілюстрації розрахунку індуктивності та вибору комерційно доступних індукторів.

Приклад конструкції: Розроблено з розширеним постійним часом увімкнення (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) синхронним понижуючим перетворювачем RT7276, його частота перемикання становить 700 кГц, вхідна напруга становить від 4,5 В до 18 В, а вихідна напруга становить 1,05 В. . Струм повного навантаження становить 3А. Як зазначалося вище, значення індуктивності має бути розроблено за умов максимальної вхідної напруги 18 В і повного навантаження 3 А, значення γ приймається рівним 0,35, і вищевказане значення підставляється в рівняння (7), індуктивність значення є

Використовуйте котушку індуктивності зі звичайним номінальним значенням індуктивності 1,5 мкГн. Підставте формулу (5), щоб обчислити пульсаційний струм індуктора таким чином.

Отже, піковий струм індуктора становить

А діюче значення струму індуктивності (ІСК) становить

Оскільки пульсаційний компонент індуктора невеликий, ефективне значення струму індуктора є переважно його постійним компонентом, і це ефективне значення використовується як основа для вибору номінального струму індуктора IDC. При конструкції зі зниженням номінальних характеристик на 80% вимоги до індуктивності:

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

У таблиці 5 перераховані доступні котушки індуктивності різних серій TDK, схожі за розміром, але різні за структурою корпусу. З таблиці видно, що струм насичення та номінальний струм штампованого індуктора (SPM6530T-1R5M) великі, термічний опір малий, а тепловіддача хороша. Крім того, згідно з обговоренням у попередньому розділі, матеріалом сердечника штампованого індуктора є сердечник із залізного порошку, тому його порівнюють із феритовим сердечником напівекранованих (VLS6045EX-1R5N) та екранованих (SLF7055T-1R5N) індукторів. з магнітним клеєм. , Має хороші характеристики зміщення постійного струму. На малюнку 11 показано порівняння ефективності різних котушок індуктивності, застосованих до вдосконаленого понижуючого перетворювача синхронного випрямлення з постійним часом увімкнення RT7276. Результати показують, що різниця в ефективності між трьома несуттєва. Якщо ви розглядаєте проблеми з розсіюванням тепла, характеристиками зміщення постійного струму та розсіюванням магнітного поля, рекомендується використовувати індуктори SPM6530T-1R5M.

（5）

Таблиця 5. Порівняння індуктивностей різних серій ТДК

11

Рисунок 11. Порівняння ефективності перетворювача з різними індукторами

Якщо ви виберете таку саму структуру упаковки та значення індуктивності, але індуктори меншого розміру, такі як SPM4015T-1R5M (4,4 × 4,1 × 1,5 мм), хоча його розмір невеликий, але опір постійному струму RDC (44,5 мОм) і термічний опір ΘTH ( 51˚C) /W) Більше. Для перетворювачів з однаковими специфікаціями ефективне значення струму, яке витримує індуктор, також однакове. Очевидно, що опір постійному струму знизить ефективність під великим навантаженням. Крім того, великий термічний опір означає погану тепловіддачу. Тому при виборі індуктора необхідно не тільки враховувати переваги зменшених розмірів, а й оцінювати супутні недоліки.

На закінчення

Індуктивність є одним із часто використовуваних пасивних компонентів у імпульсних перетворювачах потужності, який можна використовувати для зберігання та фільтрації енергії. Однак при проектуванні схеми необхідно звертати увагу не лише на значення індуктивності, але й на інші параметри, включаючи опір змінному струму та значення добротності, допуск струму, насичення залізного сердечника та структуру корпусу тощо. врахувати при виборі індуктора. . Ці параметри зазвичай пов’язані з основним матеріалом, виробничим процесом, розміром і вартістю. Таким чином, ця стаття представляє характеристики різних матеріалів із залізного сердечника та те, як вибрати відповідну індуктивність як орієнтир для розробки джерела живлення.