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如何选择合适的功率电感器

【导读】为功率应用选择合适的电感器看似很简单。貌似知道标称电感和饱和电流就足够了。遗憾的是,该过程远比想象得更加复杂。尽管制造商为量化这些指标付出了巨大的努力,但由于该等指标存在诸多变量和数据清晰性问题,导致它们常常无法完整地说明电感器特性。鉴于没有任何一个设备能够满足所有的电路要求,因此,在选择功率电感器时,工程师应确定最重要的性能因素,并优先考虑那些有助于实现最佳电路运行的因素。本文力求揭开电感器特性的神秘面纱,并为选择正确的功率电感器提供一般性指南。

No.1 电感

首先,您应该确定相关电路中的电感范围。鉴于电感在器件的整个工作期间基本上都不是恒定的,因此,了解有效值的范围至关重要。对于开关应用中的电感器,允许的纹波电流和瞬态响应目标将决定电感需求。通常是将纹波电流保持在负载输出电流的 30% 或更低水平。如果是在滤波应用中使用电感器,则其阻抗必须足够高,以衰减目标噪声频率。工程师可借助在线提供的设计工具和公式来计算合适的电感值。电感通常会因施加的直流电流、温度或交流驱动电平而变化。为确保电感保持在目标范围内,这些都是需要考虑的因素。

No.2 DCR

DCR,或称为线圈电阻,其散热和降低效率的方式与电流流经它们且在两端产生压降的所有电阻都相同。这是测定导线加热损耗的关键。因此,条件允许的情况下应尽可能选择较低的 DCR,以便最大程度地降低电感器的功率损耗。有时,在 DC/DC 应用中,DCR 被用作电流检测路径,因此容差变得很重要。

No.3 饱和

额定饱和电流值是指电感器的有效电感值从标称值下降到一定的百分比之前,电感器可以支持的直流电流量。制造商公布的电感器饱和电流很容易引起误解。不同的制造商会将下降百分比设置为 20% 或 30% 不等。产品简介中通常会借助曲线图来显示电感值相对于直流电流的变化情况。该图相当于制造商发布的数据而言更具说服力,因为它显示了电感在较大负载电流范围内发生的变化,而不是仅仅限于产品简介中列出的单点。

功率电感器根据基本磁芯材料的不同分为两种。铁氧体电感器极为常见,其特点是具有硬饱和曲线。其高磁芯材料的导磁率在直流电流水平甚至工作温度达到一定程度时,会引发急剧的电感下降。仅凭饱和电流额定值是无法预测这种行为的。一旦铁氧体饱和,其电感就会骤降,由此产生的高纹波电流会对电路造成永久性损坏。铁粉(通常称为复合或模制)电感器也很常见,可能是一种更安全的选择。铁粉电感器在较为宽泛的直流偏置电流和温度范围内具有非常稳定的电感及软饱和特性,并且通常不可能完全饱和。

请参阅制造商公开发布的饱和度曲线,以确保由于饱和度和温度引起的电感下降不会导致纹波电流超过电路极限。

No.4 额定温升电流和效率

功率电感器供应商提供额定温升电流,但与饱和电流一样,该参数也可能产生误导。该参数代表将电感器温度提高供应商规定量(通常为 40°C)所需的直流电流。产品简介中给出这一额定值的前提是采用特定的测试设置,允许通过端子从感应器中导出相对较高的热量。因此,该额定值可能仅可用作预测电感器温度升高的近似值。被动或主动冷却方法、PCB 走线宽度、空气流量以及与其他元件的接近度,都有可能导致电感器的实际温度与额定热电流所暗示的温度大不相同。此外,对于高纹波振幅应用而言,铁芯和绕组中产生的交流损耗也将导致温度升高。实际上,如果电感器在特定的负载电流下异常升温,设计人员可能需要验证是否有足够的热量通过端子和芯体导出,或者电路工作没有在电感器中造成过多的交流损耗。

较高的额定温升电流对应于较高的效率和较低的工作温度,这种假设在一般情况下是成立的,但并不总是正确的。虽然较大的电感器通常具有较低的直流损耗和较高的效率(以牺牲成本和电路板空间为代价),但其散热性往往更差一些。对于具有相同尺寸和电感的两个电感器而言,较平坦的电感器将具有更好的自然冷却特性,使其能够保持 5?C 至 10?C 的较低工作温度,即使产热稍多一些也不例外。与铁氧体相比,模制电感器具有出色的冷却特性,并且可以凭借出色的导热性在电感器表面提供更有效的热传递。虽然额定温升电流可能是有用的数据,但却缺乏可能对适当热性能设计至关重要的交流损耗信息。

No.5 自谐振频率和阻抗

由于不存在理想的电感器,因此,电感器等效电路模型是由交流电阻,电感,电容并联以后和直流电阻串联(图 1)。在自谐振频率(SRF)下,电感和寄生电容形成并联谐振电路,此时,并联交流电阻(R)成为主导元件。SRF 也是电感器的最高阻抗(Z)点。超过 SFR 频率以后电容性原件主导元件,因此该元件不再像电感器一样工作(图 2)。对于滤波应用,只要阻抗充分由电阻控制,就可以使用超过 SRF 的电感器,以适当衰减目标频率。然而,在储能的 DC/DC 转换器应用中,为了避免出现破坏性的电流尖峰和共振,电感器的工作频率不应高于由于 SRF 而开始升高的电感频率。

如何选择合适的功率电感器

图1:电感器等效电路模型

如何选择合适的功率电感器

图2:阻抗(Ω)频率(MHz)IHLP4040DZER150M11 在其 SRF 之前和之后的阻抗行为

No.6 EMI

当今的电子电路具有越来越严格的电磁兼容性(EMC)和电磁干扰(EMI)要求。电缆、PCB 板走线以及其他无源或有源组件部件会将噪声传导或辐射到周围环境中。电感器也不例外。如果屏蔽不当,电感线圈会发生磁耦合,在 PCB 走线和附近部件中产生传导噪声。线圈甚至可以充当弱天线,向远处的电路和外部设备辐射 EMI。铁氧体由于不连续气隙处的边缘磁通尤其嘈杂。相比之下,复合电感器提供更好的磁屏蔽,这不仅是因为分布式气隙有助于最大限度地减少边缘磁通量,而且还因为高磁导率的金属颗粒将线圈完全包裹,对磁场起到了有效的抑制作用。

极为敏感的 EMI 应用可能需要采取额外的噪声抑制措施。Vishay 的 IHLE®产品系列(图 3)在标准 IHLP®产品上添加了 E-shield 技术金属屏蔽层。当焊接到地面时,屏蔽层可将有害的电磁辐射和泄漏通量衰减高达 21dB。

No.7 专用电感器

市场上有很多针对不同类型磁性应用的创新解决方案。与使用多个分立电感器相比,这种封装方式可以提供空间和成本节约优势并提高性能。例如,为了节省 PCB 空间, Vishay 的 IHLD 系列将两个电感器封装在一个产品中。这种设计特别适合 D 类音频放大器。Vishay IHCL 还将两个高度耦合的电感器封装在一个产品中,用于 SEPIC DC/DC 转换器和共模应用。图 3示出了这些解决方案。

如何选择合适的功率电感器

图3:Vishay 独特的功率电感器产品示例

从左到右依次为:

● IHLP® 标准高电流模制电感器

● IHLE® 采用 E-shield 技术来抑制 EMI 的标准 IHLP 电感器

● IHLD 用于 D 类音频放大器的双高电流电感器

● IHCL 用于 SEPIC 和共模电路的高度耦合的高电流电感器

总结

功率电感器是必不可少的储能元件,可使滤波和开关电路正常工作。设计人员必须选择能够以可承受的价格在最小尺寸下提供最佳性能的电感器。这需要仔细考虑以下基本电感器特性:电感、DCR、饱和度、额定热电流、阻抗、SRF、效率、热特性、尺寸和噪声发射等。

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