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Resumo

Os indutores são componentes muito importantes em conversores de comutação, como armazenamento de energia e filtros de potência. Existem muitos tipos de indutores, como para diferentes aplicações (de baixa frequência a alta frequência), ou diferentes materiais de núcleo que afetam as características do indutor, e assim por diante. Os indutores usados ​​em conversores de comutação são componentes magnéticos de alta frequência. Porém, devido a diversos fatores como materiais, condições de operação (como tensão e corrente) e temperatura ambiente, as características e teorias apresentadas são bastante diferentes. Portanto, no projeto do circuito, além do parâmetro básico do valor da indutância, a relação entre a impedância do indutor e a resistência e frequência CA, a perda do núcleo e as características da corrente de saturação, etc. Este artigo apresentará vários materiais importantes do núcleo do indutor e suas características, e também orientará os engenheiros de energia na escolha de indutores padrão disponíveis comercialmente.

Prefácio

Indutor é um componente de indução eletromagnética, formado pelo enrolamento de um certo número de bobinas (bobina) em uma bobina ou núcleo com um fio isolado. Esta bobina é chamada de bobina de indutância ou indutor. De acordo com o princípio da indução eletromagnética, quando a bobina e o campo magnético se movem um em relação ao outro, ou a bobina gera um campo magnético alternado através de uma corrente alternada, uma tensão induzida será gerada para resistir à mudança do campo magnético original, e esta característica de restringir a mudança de corrente é chamada de indutância.

A fórmula do valor da indutância é a fórmula (1), que é proporcional à permeabilidade magnética, ao quadrado das voltas do enrolamento N e à área da seção transversal do circuito magnético equivalente Ae, e é inversamente proporcional ao comprimento do circuito magnético equivalente le . Existem muitos tipos de indutância, cada uma adequada para diferentes aplicações; a indutância está relacionada à forma, tamanho, método de enrolamento, número de voltas e tipo de material magnético intermediário.

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Dependendo do formato do núcleo de ferro, a indutância inclui toroidal, núcleo E e tambor; em termos de material do núcleo de ferro, existem principalmente núcleos cerâmicos e dois tipos magnéticos macios. São ferrite e pó metálico. Dependendo da estrutura ou método de embalagem, existem fios enrolados, multicamadas e moldados, e o fio enrolado tem não blindado e metade da cola magnética Blindado (semi-blindado) e blindado (blindado), etc.

O indutor atua como um curto-circuito em corrente contínua e apresenta alta impedância para corrente alternada. Os usos básicos em circuitos incluem sufocamento, filtragem, ajuste e armazenamento de energia. Na aplicação do conversor de comutação, o indutor é o componente de armazenamento de energia mais importante e forma um filtro passa-baixa com o capacitor de saída para reduzir a ondulação da tensão de saída, por isso também desempenha um papel importante na função de filtragem.

Este artigo apresentará os vários materiais do núcleo dos indutores e suas características, bem como algumas das características elétricas dos indutores, como uma importante referência de avaliação para a seleção de indutores durante o projeto de circuitos. No exemplo de aplicação, será apresentado através de exemplos práticos como calcular o valor da indutância e como escolher um indutor padrão disponível comercialmente.

Tipo de material principal

Os indutores usados ​​em conversores de comutação são componentes magnéticos de alta frequência. O material do núcleo no centro afeta mais as características do indutor, como impedância e frequência, valor e frequência da indutância ou características de saturação do núcleo. A seguir será apresentada a comparação de vários materiais comuns de núcleo de ferro e suas características de saturação como uma referência importante para a seleção de indutores de potência:

1. Núcleo cerâmico

O núcleo cerâmico é um dos materiais de indutância comuns. É usado principalmente para fornecer a estrutura de suporte usada no enrolamento da bobina. Também é chamado de “indutor de núcleo de ar”. Como o núcleo de ferro utilizado é um material não magnético com coeficiente de temperatura muito baixo, o valor da indutância é muito estável na faixa de temperatura operacional. Porém, devido ao material não magnético como meio, a indutância é muito baixa, o que não é muito adequado para a aplicação de conversores de potência.

2. Ferrita

O núcleo de ferrite usado em indutores gerais de alta frequência é um composto de ferrite contendo níquel-zinco (NiZn) ou manganês-zinco (MnZn), que é um material ferromagnético magnético macio com baixa coercividade. A Figura 1 mostra a curva de histerese (loop BH) de um núcleo magnético geral. A força coercitiva HC de um material magnético também é chamada de força coercitiva, o que significa que quando o material magnético foi magnetizado até a saturação magnética, sua magnetização (magnetização) é reduzida a zero A intensidade do campo magnético necessária no momento. Menor coercividade significa menor resistência à desmagnetização e também significa menor perda de histerese.

As ferritas de manganês-zinco e níquel-zinco têm permeabilidade relativa (μr) relativamente alta, cerca de 1500-15000 e 100-1000, respectivamente. Sua alta permeabilidade magnética faz com que o núcleo de ferro fique mais alto em um determinado volume. A indutância. No entanto, a desvantagem é que sua corrente de saturação tolerável é baixa e, uma vez saturado o núcleo de ferro, a permeabilidade magnética cairá drasticamente. Consulte a Figura 4 para ver a tendência decrescente da permeabilidade magnética dos núcleos de ferrita e ferro em pó quando o núcleo de ferro está saturado. Comparação. Quando utilizado em indutores de potência, será deixado um entreferro no circuito magnético principal, o que pode reduzir a permeabilidade, evitar a saturação e armazenar mais energia; quando o entreferro é incluído, a permeabilidade relativa equivalente pode ser cerca de 20- Entre 200. Como a alta resistividade do próprio material pode reduzir a perda causada pela corrente parasita, a perda é menor em altas frequências e é mais adequada para transformadores de alta frequência, indutores de filtro EMI e indutores de armazenamento de energia de conversores de energia. Em termos de frequência de operação, a ferrite de níquel-zinco é adequada para uso (>1 MHz), enquanto a ferrite de manganês-zinco é adequada para bandas de frequência mais baixas (<2 MHz).

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Figura 1. Curva de histerese do núcleo magnético (BR: remanência; BSAT: densidade de fluxo magnético de saturação)

3. Núcleo de ferro em pó

Núcleos de ferro em pó também são materiais ferromagnéticos magnéticos macios. Eles são feitos de ligas de pó de ferro de diferentes materiais ou apenas de pó de ferro. A fórmula contém materiais não magnéticos com diferentes tamanhos de partículas, portanto a curva de saturação é relativamente suave. O núcleo de ferro em pó é principalmente toroidal. A Figura 2 mostra o núcleo de ferro em pó e sua vista em corte transversal.

Núcleos de ferro em pó comuns incluem liga de ferro-níquel-molibdênio (MPP), sendust (Sendust), liga de ferro-níquel (alto fluxo) e núcleo de pó de ferro (pó de ferro). Devido aos diferentes componentes, suas características e preços também são diferentes, o que afeta a escolha dos indutores. A seguir iremos apresentar os tipos de núcleo mencionados acima e comparar suas características:

A. Liga de ferro-níquel-molibdênio (MPP)

A liga Fe-Ni-Mo é abreviada como MPP, que é a abreviatura de pó de molippermalloy. A permeabilidade relativa é de cerca de 14-500, e a densidade do fluxo magnético de saturação é de cerca de 7.500 Gauss (Gauss), que é maior que a densidade do fluxo magnético de saturação da ferrita (cerca de 4.000-5.000 Gauss). Muitos fora. MPP tem a menor perda de ferro e a melhor estabilidade de temperatura entre os núcleos de ferro em pó. Quando a corrente CC externa atinge a corrente de saturação ISAT, o valor da indutância diminui lentamente sem atenuação abrupta. MPP tem melhor desempenho, mas custo mais alto, e geralmente é usado como indutor de potência e filtragem EMI para conversores de potência.

B. Sendust

O núcleo de ferro de liga de ferro-silício-alumínio é um núcleo de liga de ferro composto de ferro, silício e alumínio, com uma permeabilidade magnética relativa de cerca de 26 a 125. A perda de ferro está entre o núcleo de pó de ferro e MPP e liga de ferro-níquel . A densidade do fluxo magnético de saturação é superior ao MPP, cerca de 10.500 Gauss. As características de estabilidade de temperatura e corrente de saturação são ligeiramente inferiores ao MPP e à liga de ferro-níquel, mas melhores que o núcleo de pó de ferro e o núcleo de ferrite, e o custo relativo é mais barato que o MPP e a liga de ferro-níquel. É usado principalmente em filtragem EMI, circuitos de correção de fator de potência (PFC) e indutores de potência de conversores de potência chaveados.

C. Liga de ferro-níquel (alto fluxo)

O núcleo da liga de ferro-níquel é feito de ferro e níquel. A permeabilidade magnética relativa é de cerca de 14-200. A perda de ferro e a estabilidade de temperatura estão entre MPP e liga de ferro-silício-alumínio. O núcleo da liga de ferro-níquel tem a maior densidade de fluxo magnético de saturação, cerca de 15.000 Gauss, e pode suportar correntes de polarização DC mais altas, e suas características de polarização DC também são melhores. Escopo de aplicação: Correção do fator de potência ativa, indutância de armazenamento de energia, indutância de filtro, transformador de alta frequência do conversor flyback, etc.

D. Pó de ferro

O núcleo de pó de ferro é feito de partículas de pó de ferro de alta pureza com partículas muito pequenas isoladas umas das outras. O processo de fabricação faz com que tenha um entreferro distribuído. Além do formato de anel, os formatos comuns de núcleo de pó de ferro também possuem tipo E e tipos de estampagem. A permeabilidade magnética relativa do núcleo de pó de ferro é de cerca de 10 a 75, e a densidade do fluxo magnético de alta saturação é de cerca de 15.000 Gauss. Entre os núcleos de ferro em pó, o núcleo de pó de ferro tem a maior perda de ferro, mas o menor custo.

A Figura 3 apresenta as curvas BH da ferrita manganês-zinco PC47 fabricada pela TDK e dos núcleos de ferro em pó -52 e -2 fabricados pela MICROMETALS; a permeabilidade magnética relativa da ferrita manganês-zinco é muito maior do que a dos núcleos de ferro em pó e está saturada. A densidade do fluxo magnético também é muito diferente, a ferrita é de cerca de 5.000 Gauss e o núcleo de pó de ferro é superior a 10.000 Gauss.

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Figura 3. Curva BH de núcleos de ferrita manganês-zinco e pó de ferro de diferentes materiais

Em resumo, as características de saturação do núcleo de ferro são diferentes; uma vez excedida a corrente de saturação, a permeabilidade magnética do núcleo de ferrite cairá drasticamente, enquanto o núcleo de pó de ferro pode diminuir lentamente. A Figura 4 mostra as características de queda de permeabilidade magnética de um núcleo de ferro em pó com a mesma permeabilidade magnética e uma ferrita com entreferro sob diferentes intensidades de campo magnético. Isso também explica a indutância do núcleo de ferrita, pois a permeabilidade cai drasticamente quando o núcleo está saturado, como pode ser visto na equação (1), também faz com que a indutância caia drasticamente; enquanto o núcleo de pó com entreferro distribuído, a permeabilidade magnética A taxa diminui lentamente quando o núcleo de ferro está saturado, então a indutância diminui mais suavemente, ou seja, possui melhores características de polarização DC. Na aplicação de conversores de potência esta característica é muito importante; se a característica de saturação lenta do indutor não for boa, a corrente do indutor aumentará até a corrente de saturação, e a queda repentina na indutância fará com que a tensão de corrente do cristal de comutação aumente acentuadamente, o que é fácil de causar danos.

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Figura 4. Características de queda de permeabilidade magnética do núcleo de ferro em pó e núcleo de ferro ferrite com entreferro sob diferentes intensidades de campo magnético.

Características elétricas do indutor e estrutura do pacote

Ao projetar um conversor de comutação e selecionar um indutor, o valor de indutância L, impedância Z, resistência AC ACR e valor Q (fator de qualidade), corrente nominal IDC e ISAT e perda de núcleo (perda de núcleo) e outras características elétricas importantes são todos obrigatórios. ser considerado. Além disso, a estrutura de embalagem do indutor afetará a magnitude do vazamento magnético, que por sua vez afeta a EMI. A seguir discutiremos as características mencionadas acima separadamente como considerações para a seleção de indutores.

1. Valor da indutância (L)

O valor da indutância de um indutor é o parâmetro básico mais importante no projeto de circuitos, mas deve ser verificado se o valor da indutância é estável na frequência operacional. O valor nominal da indutância é geralmente medido em 100 kHz ou 1 MHz sem polarização CC externa. E para garantir a possibilidade de produção automatizada em massa, a tolerância do indutor é geralmente de ±20% (M) e ±30% (N). A Figura 5 é o gráfico característico de indutância-frequência do indutor Taiyo Yuden NR4018T220M medido com o medidor LCR de Wayne Kerr. Conforme mostrado na figura, a curva do valor da indutância é relativamente plana antes de 5 MHz e o valor da indutância pode quase ser considerado uma constante. Na banda de alta frequência devido à ressonância gerada pela capacitância e indutância parasitas, o valor da indutância aumentará. Essa frequência de ressonância é chamada de frequência auto-ressonante (SRF), que geralmente precisa ser muito maior que a frequência operacional.

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Figura 5, diagrama de medição característica de frequência de indutância Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedância (Z)

Conforme mostrado na Figura 6, o diagrama de impedância também pode ser visto a partir do desempenho da indutância em diferentes frequências. A impedância do indutor é aproximadamente proporcional à frequência (Z=2πfL), portanto quanto maior a frequência, a reatância será muito maior que a resistência CA, portanto a impedância se comporta como uma indutância pura (a fase é 90˚). Em altas frequências, devido ao efeito de capacitância parasita, o ponto de frequência auto-ressonante da impedância pode ser visto. Após este ponto, a impedância cai e torna-se capacitiva, e a fase muda gradualmente para -90˚.

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3. Valor Q e resistência AC (ACR)

O valor Q na definição de indutância é a razão entre a reatância e a resistência, ou seja, a razão entre a parte imaginária e a parte real da impedância, como na fórmula (2).

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Onde XL é a reatância do indutor e RL é a resistência CA do indutor.

Na faixa de baixa frequência, a resistência CA é maior que a reatância causada pela indutância, portanto seu valor Q é muito baixo; à medida que a frequência aumenta, a reatância (cerca de 2πfL) torna-se cada vez maior, mesmo que a resistência devido ao efeito pelicular (efeito pelicular) e efeito de proximidade (proximidade)) O efeito torna-se cada vez maior, e o valor Q ainda aumenta com a frequência ; ao se aproximar do SRF, a reatância indutiva é gradualmente compensada pela reatância capacitiva e o valor Q torna-se gradualmente menor; quando o SRF se torna zero, porque a reatância indutiva e a reatância capacitiva são completamente iguais, desaparecem. A Figura 7 mostra a relação entre o valor Q e a frequência do NR4018T220M, e a relação tem o formato de um sino invertido.

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Figura 7. A relação entre o valor Q e a frequência do indutor Taiyo Yuden NR4018T220M

Na faixa de frequência de aplicação da indutância, quanto maior o valor Q, melhor; isso significa que sua reatância é muito maior que a resistência CA. De modo geral, o melhor valor Q está acima de 40, o que significa que a qualidade do indutor é boa. No entanto, geralmente à medida que a polarização DC aumenta, o valor da indutância diminuirá e o valor Q também diminuirá. Se for usado fio esmaltado plano ou fio esmaltado multifilar, o efeito pelicular, ou seja, a resistência CA, pode ser reduzido e o valor Q do indutor também pode ser aumentado.

A resistência DC DCR é geralmente considerada como a resistência DC do fio de cobre, e a resistência pode ser calculada de acordo com o diâmetro e comprimento do fio. No entanto, a maioria dos indutores SMD de baixa corrente usará soldagem ultrassônica para fazer a folha de cobre do SMD no terminal do enrolamento. No entanto, como o fio de cobre não tem comprimento longo e o valor da resistência não é alto, a resistência de soldagem geralmente é responsável por uma proporção considerável da resistência CC total. Tomando como exemplo o indutor SMD enrolado em fio da TDK CLF6045NIT-1R5N, a resistência DC medida é 14,6mΩ, e a resistência DC calculada com base no diâmetro e comprimento do fio é 12,1mΩ. Os resultados mostram que esta resistência de soldagem representa cerca de 17% da resistência DC total.

Resistência AC O ACR tem efeito de pele e efeito de proximidade, o que fará com que o ACR aumente com a frequência; na aplicação da indutância geral, porque o componente AC é muito menor que o componente DC, a influência causada pelo ACR não é óbvia; mas com carga leve, como o componente DC é reduzido, a perda causada pelo ACR não pode ser ignorada. O efeito pelicular significa que sob condições CA, a distribuição de corrente dentro do condutor é irregular e concentrada na superfície do fio, resultando em uma redução na área da seção transversal equivalente do fio, o que por sua vez aumenta a resistência equivalente do fio com freqüência. Além disso, em um enrolamento de fio, fios adjacentes causarão a adição e subtração de campos magnéticos devido à corrente, de modo que a corrente se concentre na superfície adjacente ao fio (ou na superfície mais distante, dependendo da direção da corrente ), o que também causa interceptação de fio equivalente. O fenômeno de diminuição da área e aumento da resistência equivalente é o chamado efeito de proximidade; na aplicação de indutância de um enrolamento multicamadas, o efeito de proximidade é ainda mais óbvio.

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A Figura 8 mostra a relação entre a resistência CA e a frequência do indutor SMD enrolado em fio NR4018T220M. A uma frequência de 1kHz, a resistência é de cerca de 360mΩ; em 100kHz, a resistência sobe para 775mΩ; em 10 MHz, o valor da resistência é próximo de 160Ω. Ao estimar a perda de cobre, o cálculo deve considerar o ACR causado pelos efeitos de pele e proximidade, e modificá-lo para a fórmula (3).

4. Corrente de saturação (ISAT)

Corrente de saturação ISAT é geralmente a corrente de polarização marcada quando o valor da indutância é atenuado, como 10%, 30% ou 40%. Para ferrita de entreferro, como sua característica de corrente de saturação é muito rápida, não há muita diferença entre 10% e 40%. Consulte a Figura 4. No entanto, se for um núcleo de pó de ferro (como um indutor estampado), a curva de saturação é relativamente suave, como mostrado na Figura 9, a corrente de polarização em 10% ou 40% da atenuação da indutância é muito diferente, então o valor da corrente de saturação será discutido separadamente para os dois tipos de núcleos de ferro como segue.

Para uma ferrita de entreferro, é razoável usar ISAT como o limite superior da corrente máxima do indutor para aplicações em circuitos. Porém, se for um núcleo de pó de ferro, devido à característica de saturação lenta, não haverá problema mesmo que a corrente máxima do circuito de aplicação ultrapasse o ISAT. Portanto, esta característica do núcleo de ferro é mais adequada para aplicações de conversores chaveados. Sob carga pesada, embora o valor da indutância do indutor seja baixo, conforme mostrado na Figura 9, o fator de ondulação da corrente é alto, mas a tolerância da corrente do capacitor de corrente é alta, portanto não será um problema. Sob carga leve, o valor da indutância do indutor é maior, o que ajuda a reduzir a corrente de ondulação do indutor, reduzindo assim a perda de ferro. A Figura 9 compara a curva de corrente de saturação da ferrite enrolada SLF7055T1R5N da TDK e do indutor de núcleo de pó de ferro estampado SPM6530T1R5M sob o mesmo valor nominal de indutância.

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Figura 9. Curva de corrente de saturação de ferrita enrolada e núcleo de pó de ferro estampado sob o mesmo valor nominal de indutância

5. Corrente nominal (IDC)

O valor IDC é a polarização DC quando a temperatura do indutor aumenta para Tr˚C. As especificações também indicam seu valor de resistência DC RDC a 20˚C. De acordo com o coeficiente de temperatura do fio de cobre é de cerca de 3.930 ppm, quando a temperatura de Tr aumenta, seu valor de resistência é RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), e seu consumo de energia é PCU = I2DCxRDC. Esta perda de cobre é dissipada na superfície do indutor, e a resistência térmica ΘTH do indutor pode ser calculada:

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A Tabela 2 refere-se à folha de dados da série TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5mm) e calcula a resistência térmica em um aumento de temperatura de 40˚C. Obviamente, para indutores da mesma série e tamanho, a resistência térmica calculada é quase a mesma devido à mesma área superficial de dissipação de calor; em outras palavras, a corrente nominal IDC de diferentes indutores pode ser estimada. Diferentes séries (pacotes) de indutores possuem diferentes resistências térmicas. A Tabela 3 compara a resistência térmica dos indutores da série TDK VLS6045EX (semi-blindado) e da série SPM6530 (moldados). Quanto maior a resistência térmica, maior será o aumento de temperatura gerado quando a indutância flui pela corrente de carga; caso contrário, o inferior.

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Tabela 2. Resistência térmica dos indutores da série VLS6045EX a um aumento de temperatura de 40˚C

Pode-se observar na Tabela 3 que mesmo que o tamanho dos indutores seja semelhante, a resistência térmica dos indutores estampados é baixa, ou seja, a dissipação de calor é melhor.

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Tabela 3. Comparação da resistência térmica de diferentes indutores de pacote.

6. Perda central

A perda do núcleo, conhecida como perda de ferro, é causada principalmente pela perda de correntes parasitas e perda de histerese. O tamanho da perda por correntes parasitas depende principalmente se o material do núcleo é fácil de “conduzir”; se a condutividade for alta, ou seja, a resistividade é baixa, a perda por correntes parasitas é alta, e se a resistividade da ferrita for alta, a perda por correntes parasitas é relativamente baixa. A perda por correntes parasitas também está relacionada à frequência. Quanto maior a frequência, maior a perda por correntes parasitas. Portanto, o material do núcleo determinará a frequência operacional adequada do núcleo. De modo geral, a frequência de trabalho do núcleo de pó de ferro pode chegar a 1 MHz, e a frequência de trabalho da ferrite pode chegar a 10 MHz. Se a frequência operacional exceder esta frequência, a perda por correntes parasitas aumentará rapidamente e a temperatura do núcleo de ferro também aumentará. No entanto, com o rápido desenvolvimento de materiais de núcleo de ferro, núcleos de ferro com frequências operacionais mais altas devem estar chegando.

Outra perda de ferro é a perda por histerese, que é proporcional à área delimitada pela curva de histerese, que está relacionada à amplitude de oscilação do componente CA da corrente; quanto maior for a oscilação CA, maior será a perda de histerese.

No circuito equivalente de um indutor, um resistor conectado em paralelo com o indutor é frequentemente usado para expressar a perda de ferro. Quando a frequência é igual a SRF, a reatância indutiva e a reatância capacitiva são canceladas e a reatância equivalente é zero. Neste momento, a impedância do indutor é equivalente à resistência à perda de ferro em série com a resistência do enrolamento, e a resistência à perda de ferro é muito maior que a resistência do enrolamento, portanto, a impedância no SRF é aproximadamente igual à resistência à perda de ferro. Tomando como exemplo um indutor de baixa tensão, sua resistência à perda de ferro é de cerca de 20kΩ. Se o valor efetivo da tensão em ambas as extremidades do indutor for estimado em 5V, sua perda no ferro será de cerca de 1,25mW, o que também mostra que quanto maior a resistência à perda no ferro, melhor.

7. Estrutura do escudo

A estrutura de embalagem dos indutores de ferrite inclui não blindados, semiblindados com cola magnética e blindados, e há um entreferro considerável em qualquer um deles. Obviamente, o entreferro terá vazamento magnético e, na pior das hipóteses, interferirá nos pequenos circuitos de sinal circundantes ou, se houver um material magnético próximo, sua indutância também será alterada. Outra estrutura de embalagem é um indutor de pó de ferro estampado. Como não há folga dentro do indutor e a estrutura do enrolamento é sólida, o problema de dissipação do campo magnético é relativamente pequeno. A Figura 10 mostra o uso da função FFT do osciloscópio RTO 1004 para medir a magnitude do campo magnético de vazamento a 3 mm acima e na lateral do indutor estampado. A Tabela 4 lista a comparação do campo magnético de vazamento de diferentes indutores de estrutura de pacote. Pode-se observar que os indutores não blindados apresentam o vazamento magnético mais grave; indutores estampados apresentam o menor vazamento magnético, apresentando o melhor efeito de blindagem magnética. . A diferença na magnitude do campo magnético de vazamento dos indutores dessas duas estruturas é de cerca de 14dB, o que é quase 5 vezes.

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Figura 10. A magnitude do campo magnético de vazamento medido a 3 mm acima e na lateral do indutor estampado

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Tabela 4. Comparação do campo magnético de vazamento de diferentes indutores de estrutura de pacote

8. acoplamento

Em algumas aplicações, às vezes há vários conjuntos de conversores CC na PCB, que geralmente são dispostos um ao lado do outro, e seus indutores correspondentes também são dispostos um ao lado do outro. Se você usar um tipo não blindado ou semi-blindado com cola magnética, os indutores podem ser acoplados entre si para formar interferência EMI. Portanto, ao colocar o indutor, é recomendável marcar primeiro a polaridade do indutor e conectar o ponto inicial e de enrolamento da camada mais interna do indutor à tensão de comutação do conversor, como o VSW de um conversor buck, qual é o ponto móvel. O terminal de saída está conectado ao capacitor de saída, que é o ponto estático; o enrolamento do fio de cobre forma, portanto, um certo grau de blindagem do campo elétrico. No arranjo da fiação do multiplexador, fixar a polaridade da indutância ajuda a fixar a magnitude da indutância mútua e evita alguns problemas inesperados de EMI.

Aplicações:

O capítulo anterior discutiu o material do núcleo, a estrutura do pacote e características elétricas importantes do indutor. Este capítulo explicará como escolher o valor de indutância apropriado do conversor Buck e as considerações para escolher um indutor disponível comercialmente.

Conforme mostrado na equação (5), o valor do indutor e a frequência de chaveamento do conversor afetarão a corrente de ondulação do indutor (ΔiL). A corrente de ondulação do indutor fluirá através do capacitor de saída e afetará a corrente de ondulação do capacitor de saída. Portanto, afetará a seleção do capacitor de saída e afetará ainda mais o tamanho da ondulação da tensão de saída. Além disso, o valor da indutância e o valor da capacitância de saída também afetarão o projeto de feedback do sistema e a resposta dinâmica da carga. A escolha de um valor de indutância maior tem menos estresse de corrente no capacitor e também é benéfica para reduzir a ondulação da tensão de saída e pode armazenar mais energia. Porém, um valor de indutância maior indica um volume maior, ou seja, um custo maior. Portanto, ao projetar o conversor, o projeto do valor da indutância é muito importante.

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Pode-se observar pela fórmula (5) que quando a lacuna entre a tensão de entrada e a tensão de saída for maior, a corrente de ondulação do indutor será maior, que é a pior condição do projeto do indutor. Juntamente com outras análises indutivas, o ponto de projeto da indutância do conversor abaixador geralmente deve ser selecionado sob as condições de tensão de entrada máxima e carga total.

Ao projetar o valor da indutância, é necessário fazer uma compensação entre a corrente de ondulação do indutor e o tamanho do indutor, e o fator de corrente de ondulação (fator de corrente de ondulação; γ) é definido aqui, como na fórmula (6).

(6)

Substituindo a fórmula (6) na fórmula (5), o valor da indutância pode ser expresso como fórmula (7).

(7)

De acordo com a fórmula (7), quando a diferença entre a tensão de entrada e saída é maior, o valor γ pode ser selecionado maior; pelo contrário, se as tensões de entrada e saída estiverem mais próximas, o valor γ projetado deve ser menor. Para escolher entre a corrente de ondulação do indutor e o tamanho, de acordo com o valor da experiência de projeto tradicional, γ é geralmente de 0,2 a 0,5. A seguir, tomamos RT7276 como exemplo para ilustrar o cálculo da indutância e a seleção de indutores disponíveis comercialmente.

Exemplo de projeto: Projetado com conversor abaixador de retificação síncrona de tempo constante avançado RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), sua frequência de comutação é de 700 kHz, a tensão de entrada é de 4,5 V a 18 V e a tensão de saída é de 1,05 V . A corrente de carga total é 3A. Conforme mencionado acima, o valor da indutância deve ser projetado nas condições de tensão máxima de entrada de 18V e plena carga de 3A, o valor de γ é tomado como 0,35, e o valor acima é substituído na equação (7), a indutância o valor é

Use um indutor com valor de indutância nominal convencional de 1,5 µH. Substitua a fórmula (5) para calcular a corrente de ondulação do indutor como segue.

Portanto, a corrente de pico do indutor é

E o valor efetivo da corrente do indutor (IRMS) é

Como o componente de ondulação do indutor é pequeno, o valor efetivo da corrente do indutor é principalmente seu componente CC, e esse valor efetivo é usado como base para selecionar a corrente nominal IDC do indutor. Com projeto de desclassificação (redução) de 80%, os requisitos de indutância são:

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

A Tabela 5 lista os indutores disponíveis de diferentes séries de TDK, semelhantes em tamanho, mas diferentes na estrutura do pacote. Pode-se observar na tabela que a corrente de saturação e a corrente nominal do indutor estampado (SPM6530T-1R5M) são grandes, a resistência térmica é pequena e a dissipação de calor é boa. Além disso, de acordo com a discussão no capítulo anterior, o material do núcleo do indutor estampado é o núcleo de pó de ferro, por isso é comparado com o núcleo de ferrite dos indutores semi-blindados (VLS6045EX-1R5N) e blindados (SLF7055T-1R5N). com cola magnética. , Possui boas características de polarização DC. A Figura 11 mostra a comparação de eficiência de diferentes indutores aplicados ao conversor abaixador de retificação síncrona constante e constante RT7276. Os resultados mostram que a diferença de eficiência entre os três não é significativa. Se você considerar a dissipação de calor, as características de polarização CC e os problemas de dissipação do campo magnético, é recomendado o uso de indutores SPM6530T-1R5M.

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Tabela 5. Comparação de indutâncias de diferentes séries de TDK

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Figura 11. Comparação da eficiência do conversor com diferentes indutores

Se você escolher a mesma estrutura de pacote e valor de indutância, mas indutores de tamanho menor, como SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5mm), embora seu tamanho seja pequeno, mas a resistência DC RDC (44,5mΩ) e a resistência térmica ΘTH ( 51˚C) /W) Maior. Para conversores com as mesmas especificações, o valor efetivo da corrente tolerada pelo indutor também é o mesmo. Obviamente, a resistência DC reduzirá a eficiência sob carga pesada. Além disso, uma grande resistência térmica significa fraca dissipação de calor. Portanto, ao escolher um indutor, não é necessário apenas considerar os benefícios do tamanho reduzido, mas também avaliar as deficiências que o acompanham.

Para concluir

A indutância é um dos componentes passivos comumente usados ​​em conversores de potência chaveados, que pode ser usado para armazenamento e filtragem de energia. No entanto, no projeto de circuitos, não é apenas o valor da indutância que precisa ser prestado atenção, mas outros parâmetros, incluindo resistência CA e valor Q, tolerância de corrente, saturação do núcleo de ferro e estrutura do pacote, etc., são todos parâmetros que devem ser considerados. ser considerado ao escolher um indutor. . Esses parâmetros geralmente estão relacionados ao material do núcleo, ao processo de fabricação e ao tamanho e custo. Portanto, este artigo apresenta as características dos diferentes materiais do núcleo de ferro e como escolher uma indutância apropriada como referência para o projeto da fonte de alimentação.