124

notícias

Resumo

Indutores são componentes muito importantes em conversores de comutação, como armazenamento de energia e filtros de energia. 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. Indutores usados ​​em conversores de chaveamento são componentes magnéticos de alta frequência. No entanto, devido a vários 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 AC, a perda do núcleo e as características da corrente de saturação, etc. ainda devem ser consideradas. Este artigo irá apresentar vários materiais importantes do núcleo do indutor e suas características, e também guiará os engenheiros de potência na escolha de indutores padrão disponíveis comercialmente.

Prefácio

Indutor é um componente de indução eletromagnética, que é formado pelo enrolamento de um certo número de bobinas (bobina) em uma bobina ou núcleo com um fio isolado. Essa 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 em relação um ao outro, ou a bobina gera um campo magnético alternado por meio de uma corrente alternada, uma tensão induzida será gerada para resistir à mudança do campo magnético original, e essa característica de restringir a mudança atual é chamada de indutância.

A fórmula do valor de indutância é a fórmula (1), que é proporcional à permeabilidade magnética, o quadrado do enrolamento gira N e a 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 um adequado para diferentes aplicações; a indutância está relacionada à forma, tamanho, método de enrolamento, número de voltas e tipo de material magnético intermediário.

图片1

(1)

Dependendo da forma do núcleo de ferro, a indutância inclui toroidal, núcleo E e tambor; em termos de material de núcleo de ferro, há principalmente núcleo cerâmico e dois tipos magnéticos macios. Eles são ferrite e pó metálico. Dependendo da estrutura ou método de embalagem, há fio enrolado, multicamadas e moldado, e o fio enrolado não é blindado e metade da cola magnética é blindada (semi-blindada) e blindada (blindada), etc.

O indutor atua como um curto-circuito em corrente contínua, e apresenta alta impedância para corrente alternada. Os usos básicos em circuitos incluem choking, filtragem, sintonia 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, portanto, também desempenha um papel importante na função de filtragem.

Este artigo irá apresentar os vários materiais principais de indutores e suas características, bem como algumas das características elétricas de indutores, como uma importante referência de avaliação para selecionar indutores durante o projeto de circuitos. No exemplo de aplicação, como calcular o valor da indutância e como escolher um indutor padrão disponível comercialmente será apresentado por meio de exemplos práticos.

Tipo de material do núcleo

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

1. Núcleo cerâmico

O núcleo cerâmico é um dos materiais de indutância comuns. É usado principalmente para fornecer a estrutura de suporte usada ao enrolar a bobina. Também é chamado de “indutor de núcleo de ar”. Como o núcleo de ferro usado é um material não magnético com um 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. Ferrite

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

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

图片2         1

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

3. Núcleo de ferro em pó

Os 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 pó de ferro. A fórmula contém materiais não magnéticos com tamanhos de partícula diferentes, 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). Por causa dos diferentes componentes, suas características e preços também são diferentes, o que afeta a escolha dos indutores. A seguir apresentará os tipos de núcleo mencionados acima e comparará 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 molypermalloy. A permeabilidade relativa é de cerca de 14-500, e a densidade de fluxo magnético de saturação é de cerca de 7500 Gauss (Gauss), que é maior do que a densidade de fluxo magnético de saturação de ferrita (cerca de 4000-5000 Gauss). Muitos saíram. MPP tem a menor perda de ferro e a melhor estabilidade de temperatura entre os núcleos de ferro em pó. Quando a corrente DC 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 energia e filtragem EMI para conversores de energia.

 

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 é entre o núcleo de pó de ferro e MPP e liga de ferro-níquel . A densidade do fluxo magnético de saturação é maior do que MPP, cerca de 10500 Gauss. As características de estabilidade de temperatura e corrente de saturação são ligeiramente inferiores a MPP e liga de ferro-níquel, mas melhores que núcleo de pó de ferro e núcleo de ferrite, e o custo relativo é mais barato do que MPP e 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 de comutação.

 

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 o MPP e a liga de ferro-silício-alumínio. O núcleo de liga de ferro-níquel tem a densidade de fluxo magnético de saturação mais alta, cerca de 15.000 Gauss, e pode suportar correntes de polarização DC mais altas, e suas características de polarização DC também são melhores. Escopo da aplicação: correção do fator de potência ativo, indutância de armazenamento de energia, indutância do 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 que são isoladas umas das outras. O processo de fabricação faz com que tenha um entreferro distribuído. Além da forma de anel, as formas comuns de núcleo de pó de ferro também têm 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 de 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 custo mais baixo.

A Figura 3 mostra as curvas BH da ferrita manganês-zinco PC47 fabricada pela TDK e núcleos de ferro em pó -52 e -2 fabricados pela MICROMETALS; a permeabilidade magnética relativa da ferrita de manganês-zinco é muito maior do que a dos núcleos de ferro em pó e é saturada. A densidade do fluxo magnético também é muito diferente, a ferrita é cerca de 5000 Gauss e o núcleo do pó de ferro é mais do que 10000 Gauss.

图片3   3

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

 

Em resumo, as características de saturação do núcleo de ferro são diferentes; uma vez que a corrente de saturação é excedida, 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 um entreferro sob diferentes intensidades de campo magnético. Isso também explica a indutância do núcleo de ferrita, porque 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, tem 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 sobe para a corrente de saturação e a queda repentina na indutância fará com que a tensão da corrente do cristal de comutação aumente acentuadamente, o que é fácil de causar danos.

图片3    4

Figura 4. Características da queda de permeabilidade magnética do núcleo de ferro em pó e do núcleo de ferrite de ferro 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 ACR 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 empacotamento do indutor afetará a magnitude do vazamento magnético, que por sua vez afeta a EMI. A seguir irá discutir as características mencionadas acima separadamente como considerações para a seleção de indutores.

1. Valor de indutância (L)

O valor da indutância de um indutor é o parâmetro básico mais importante no projeto do circuito, mas deve ser verificado se o valor da indutância é estável na frequência de operação. O valor nominal da indutância é geralmente medido a 100 kHz ou 1 MHz sem uma polarização externa DC. E para garantir a possibilidade de produção automatizada em massa, a tolerância do indutor é geralmente ± 20% (M) e ± 30% (N). A Figura 5 é o gráfico característico da frequência de indutância 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 do que a frequência de operação.

图片5  5

Figura 5, diagrama de medição de 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 do que a resistência AC, então a impedância se comporta como uma indutância pura (a fase é 90˚). Em altas frequências, devido ao efeito da capacitância parasita, o ponto de frequência auto-ressonante da impedância pode ser visto. Após este ponto, a impedância cai e se torna capacitiva, e a fase muda gradualmente para -90 ˚.

图片6  6

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).

图片7

(2)

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

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

图片8  7

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

Na banda de frequência de indutância de aplicação, quanto maior o valor Q, melhor; isso significa que sua reatância é muito maior do que a resistência AC. De modo geral, o melhor valor de 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 de múltiplos fios, o efeito de pele, ou seja, a resistência AC, pode ser reduzido e o valor Q do indutor também pode ser aumentado.

A resistência DCR DC é geralmente considerada como a resistência DC do fio de cobre, e a resistência pode ser calculada de acordo com o diâmetro e o 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 de 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 geral. Tomando o indutor SMD enrolado por fio da TDK CLF6045NIT-1R5N como exemplo, a resistência DC medida é 14,6 mΩ e a resistência DC calculada com base no diâmetro e comprimento do fio é 12,1 mΩ. Os resultados mostram que esta resistência de soldagem é responsável por cerca de 17% da resistência DC geral.

A resistência ACR ACR tem efeito de pele e efeito de proximidade, o que fará com que ACR aumente com frequência; na aplicação da indutância geral, porque o componente AC é muito mais baixo do que o componente DC, a influência causada pelo ACR não é óbvia; mas com carga leve, porque o componente DC é reduzido, a perda causada pelo ACR não pode ser ignorada. O efeito de pele significa que sob condições AC, a distribuição de corrente dentro do condutor é irregular e concentrada na superfície do fio, resultando em uma redução na área da seção transversal do fio equivalente, o que por sua vez aumenta a resistência equivalente do fio com frequência. 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 ), que também causa interceptação de fio equivalente. O fenômeno de que a área diminui e a resistência equivalente aumenta é o chamado efeito de proximidade; na aplicação de indutância de um enrolamento multicamadas, o efeito de proximidade é ainda mais óbvio.

图片9  8

A Figura 8 mostra a relação entre a resistência AC 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 a 160Ω. Ao estimar a perda de cobre, o cálculo deve considerar o ACR causado pela pele e os efeitos de proximidade, e modificá-lo para a fórmula (3).

4. Corrente de saturação (ISAT)

A corrente de saturação ISAT é geralmente a corrente de polarização marcada quando o valor da indutância é atenuado, como 10%, 30% ou 40%. Para a 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 de circuito. Porém, se for um núcleo de pó de ferro, devido à característica de saturação lenta, não haverá problema mesmo se a corrente máxima do circuito de aplicação exceder ISAT. Portanto, esta característica do núcleo de ferro é mais adequada para aplicações de conversores de chaveamento. 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, então não será um problema. Sob carga leve, o valor da indutância do indutor é maior, o que ajuda a reduzir a ondulação da corrente do indutor, reduzindo assim a perda de ferro. A Figura 9 compara a curva de corrente de saturação da ferrita ferida SLF7055T1R5N da TDK e do indutor de núcleo de pó de ferro estampado SPM6530T1R5M sob o mesmo valor nominal de indutância.

图片9   9

Figura 9. Curva de corrente de saturação de ferrita ferida 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 sobe 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:

图片13(2)

A Tabela 2 refere-se à folha de dados da série TDK VLS6045EX (6,0 × 6,0 × 4,5 mm) 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 de dissipação de calor da superfície; em outras palavras, a corrente nominal IDC de diferentes indutores pode ser estimada. Diferentes séries (pacotes) de indutores têm diferentes resistências térmicas. A Tabela 3 compara a resistência térmica dos indutores das séries TDK VLS6045EX (semi-blindados) e SPM6530 (moldados). Quanto maior a resistência térmica, maior o aumento de temperatura gerado quando a indutância flui através da corrente de carga; caso contrário, o mais baixo.

图片14  (2)

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.

图片15  (3)

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

 

6. Perda de núcleo

A perda do núcleo, conhecida como perda de ferro, é causada principalmente pela perda de corrente parasita e perda de histerese. O tamanho da perda de corrente parasita depende principalmente se o material do núcleo é fácil de “conduzir”; se a condutividade é alta, ou seja, a resistividade é baixa, a perda de corrente parasita é alta, e se a resistividade da ferrita é alta, a perda de corrente parasita é relativamente baixa. A perda de corrente parasita também está relacionada à frequência. Quanto mais alta a frequência, maior a perda de corrente parasita. Portanto, o material do núcleo determinará a frequência de operação adequada do núcleo. De um modo geral, a frequência de trabalho do núcleo do pó de ferro pode chegar a 1 MHz, e a frequência de trabalho da ferrite pode chegar a 10 MHz. Se a frequência de operação exceder esta frequência, a perda de corrente parasita 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 de operação mais altas devem estar próximos.

Outra perda de ferro é a perda de histerese, que é proporcional à área delimitada pela curva de histerese, que está relacionada à amplitude de oscilação do componente AC 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 freqüentemente usado para expressar a perda de ferro. Quando a frequência é igual a SRF, a reatância indutiva e a reatância capacitiva se cancelam e a reatância equivalente é zero. Neste momento, a impedância do indutor é equivalente à resistência de perda de ferro em série com a resistência de enrolamento, e a resistência de perda de ferro é muito maior do que a resistência de enrolamento, então a impedância em SRF é aproximadamente igual à resistência de perda de ferro. Tomando um indutor de baixa tensão como exemplo, 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 5 V, sua perda de ferro é de cerca de 1,25 mW, o que também mostra que quanto maior a resistência à perda de ferro, melhor.

7. Estrutura da blindagem

A estrutura de embalagem dos indutores de ferrite inclui não blindado, semi-blindado com cola magnética e blindado, e há um espaço de ar considerável em qualquer um deles. Obviamente, o entreferro terá vazamento magnético e, no pior dos casos, interferirá nos pequenos circuitos de sinal ao redor 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 lacuna dentro do indutor e a estrutura do enrolamento é sólida, o problema de dissipação do campo magnético é relativamente pequeno. A Figura 10 é 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 embalagem. Pode ser visto que os indutores não blindados têm o vazamento magnético mais sério; indutores carimbados têm o menor vazamento magnético, mostrando 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.

10图片16

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

图片17 (4)

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

8. acoplamento

Em algumas aplicações, às vezes há vários conjuntos de conversores DC no PCB, que geralmente são dispostos próximos um do outro, e seus indutores correspondentes também são dispostos próximos uns dos outros. 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 a polaridade do indutor primeiro e conectar o ponto de partida e de enrolamento da camada mais interna do indutor à tensão de comutação do conversor, como o VSW de um conversor Buck, que é o ponto móvel. O terminal de saída é conectado ao capacitor de saída, que é o ponto estático; o enrolamento do fio de cobre, portanto, forma um certo grau de blindagem de campo elétrico. No arranjo da fiação do multiplexador, fixar a polaridade da indutância ajuda a fixar a magnitude da indutância mútua e evitar alguns problemas inesperados de EMI.

Formulários:

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 ondulação da corrente do indutor fluirá através do capacitor de saída e afetará a ondulação da corrente do capacitor de saída. Portanto, isso 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. Escolher um valor de indutância maior tem menos estresse de corrente no capacitor e também é benéfico 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.

图片18        (5)

Pode-se ver a partir da fórmula (5) que quando a lacuna entre a tensão de entrada e a tensão de saída é maior, a ondulação da corrente do indutor será maior, que é o pior caso de condição do projeto do indutor. Juntamente com outras análises indutivas, o ponto de projeto de 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 um trade-off 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).

图片19(6)

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

图片20  (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 projeto do valor γ deve ser menor. Para escolher entre a corrente de ondulação do indutor e o tamanho, de acordo com o valor da experiência de design tradicional, γ é geralmente de 0,2 a 0,5. A seguir está tomando RT7276 como um exemplo para ilustrar o cálculo da indutância e a seleção de indutores disponíveis comercialmente.

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

图片21

 

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

图片22

Portanto, a corrente de pico do indutor é

图片23

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

图片24

Como o componente de ondulação do indutor é pequeno, o valor efetivo da corrente do indutor é principalmente seu componente DC, e este valor efetivo é usado como base para selecionar a corrente nominal do indutor IDC. Com design de desclassificação de 80% (desclassificação), 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, então ele é comparado com o núcleo de ferrite dos indutores semi-blindados (VLS6045EX-1R5N) e blindados (SLF7055T-1R5N) com cola magnética. , Tem boas características de polarização DC. A Figura 11 mostra a comparação da eficiência de diferentes indutores aplicados ao conversor abaixador de retificação síncrona constante avançada 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 DC e os problemas de dissipação do campo magnético, é recomendável usar os indutores SPM6530T-1R5M.

图片25(5)

Tabela 5. Comparação de indutâncias de diferentes séries de TDK

图片26 11

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 × 1,5 mm), embora seu tamanho seja pequeno, mas a resistência DC RDC (44,5mΩ) e 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 má 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.

 

Em conclusão

A indutância é um dos componentes passivos comumente usados ​​na comutação de conversores de energia, que pode ser usado para armazenamento e filtragem de energia. No entanto, no projeto do circuito, não é apenas o valor da indutância que precisa ser prestado atenção, mas outros parâmetros, incluindo resistência AC e valor Q, tolerância de corrente, saturação do núcleo de ferro e estrutura do pacote, etc., são todos parâmetros que devem 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.

 


Horário da postagem: 15/06/2021