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帖片電感的選用原則

發(fā)布:冠旭電子 日期:2011/8/21 點(diǎn)擊量:4384

為便攜式電源應用選擇電感,需要考慮的最重要的三點(diǎn)是:尺寸大小、尺寸大小,第三還是尺寸大小。移動(dòng)電話(huà)的電路板面積十分緊俏珍貴,隨著(zhù)MP3 播放器、電視和視頻等各種功能被增加到電話(huà)中時(shí),尤其如此。功能增加也將增加電池的電流消耗量。因此,以前一直由線(xiàn)性調節器供電或直接連接到電池上的模塊需要效率更高的解決方案。實(shí)現更高效率解決方案的第一步是采用磁性降壓轉換器。正如其名稱(chēng)所暗示的,這時(shí)需要一個(gè)電感。

電感的主要規格除尺寸大小外,還有開(kāi)關(guān)頻率下的電感值、線(xiàn)圈的直流阻抗(DCR)、額定飽和電流、額定rms電流、交流阻抗(ESR)以及Q因子。根據應用的不同,電感類(lèi)型的選擇――屏蔽式或非屏蔽式――也是很重要的。類(lèi)似于電容中的直流偏置,廠(chǎng)商A的2.2μH電感可能與廠(chǎng)商B的完全不同。在相關(guān)溫度范圍內電感值與直流電流的關(guān)系是一條非常重要的曲線(xiàn),必需向廠(chǎng)商索取。在這條曲線(xiàn)上可以查到額定飽和電流(ISAT)。ISAT一般定義為電感值降量為額定值的30[[%]]時(shí)的直流電流。某些電感生產(chǎn)商沒(méi)有規定ISAT。他們可能之給出了溫度高于環(huán)境溫度40℃時(shí)的直流電流。

DCR引起傳導損耗,在輸出電流較高時(shí)影響效率。ESR隨工作頻率的提高而增加,在輸出電流較小時(shí)影響占主導地位的開(kāi)關(guān)損耗。ESR與Q因子成正比。相同頻率下,低ESR電感的Q因子更高。在電感滿(mǎn)足所有其它規格時(shí),為什么系統設計人員還應考慮ESR和Q因子呢?當開(kāi)關(guān)頻率超過(guò)2MHz時(shí),必需格外關(guān)注電感的交流損耗。規格說(shuō)明書(shū)中列出比較的不同廠(chǎng)商的電感的ISAT和DCR在開(kāi)關(guān)頻率下可能有極為不同的交流阻抗,導致輕負載下顯著(zhù)的效率差異。這一點(diǎn)對提高便攜式電源系統中電池的壽命至為重要,因為系統大部分的時(shí)間是處于睡眠、待機或低功率模式下的。由于電感生產(chǎn)廠(chǎng)商很少提供ESR和Q因子信息,設計人員應該主動(dòng)向他們索取。廠(chǎng)商給出的電感與電流關(guān)系也往往只限于25℃,故應該索取工作溫度范圍內的相關(guān)數據。最壞情況一般是85℃。

考慮一個(gè)降壓轉換器的例子,其規格參數如下:FSW=2MHz,VIN=5.5V,L=2.2 μH,VOUT=1.5V,I=0 到600MA,ΔI=289MA (計算值)。2.2μH額定電感在低頻下的DCR為0.2Ω,2MHz下的ESR為1Ω。電感引起的直流損耗和交流損耗可用下式計算: DC損耗=I2×DCR AC損耗=(dΔI2)/12×ESR 由上式可知,輸出電流較高時(shí),低頻或直流損耗占主導地位;輸出電流較低時(shí),交流損耗占主導地位。ΔI是轉換器的峰峰值紋波電流,在連續傳導工作模式中,輸出電流高和低時(shí)其幅度都一樣。由數學(xué)計算可知,I=600MA時(shí),電感總體損耗的91[[%]]是直流損耗;I=50mA時(shí),電感總體損耗的93[[%]]是交流損耗。圖4a (ESR) 和 4b (Q)給出了廠(chǎng)商A(低 ESR,高Q值)和廠(chǎng)商B(高ESR,低Q值)的電感,還顯示了采用這些電感(圖4c) 的2MHz轉換器的效率曲線(xiàn)。從這些數據判斷,即使廠(chǎng)商A有較高的DCR,它也能在輕負載下提供更高的效率。

根據應用的不同,可以選擇屏蔽式或非屏蔽式電感器。一般而言,屏蔽式電感用于那些必須滿(mǎn)足嚴格的EMI規范的便攜式應用。最后但絕非不重要的是,按照生產(chǎn)方式的不同,有兩類(lèi)電感器。第一類(lèi)是傳統的繞線(xiàn)線(xiàn)圈式(Wire Wound coil)電感,另一類(lèi)是較新式的芯片電感。芯片電感憑其尺寸和高度方面的優(yōu)勢使用正日益廣泛。PCB裝配時(shí)的安裝速度也是芯片(多層)電感生產(chǎn)商大肆宣傳的優(yōu)點(diǎn)之一。

在選擇開(kāi)關(guān)解決方案時(shí),系統設計人員必須考慮到芯片電感的某些關(guān)鍵規格。電感和直流電流的關(guān)系隨溫度的變化是線(xiàn)圈式電感和芯片電感有顯著(zhù)不同的一個(gè)主要參數。圖5顯示了繞線(xiàn)線(xiàn)圈電感和芯片電感的橫截面示意圖。從圖6可看到,一般來(lái)說(shuō),線(xiàn)圈式電感的電感-直流電流及溫度關(guān)系曲線(xiàn)在飽和電流之前很平坦。在飽和電流之后,則隨電流變化出現急劇下降。典型地,ISAT在85oC 時(shí)比25 oC時(shí)要低10%到20[[%]]。 25℃時(shí),芯片電感有一個(gè)高于額定值的初始電感值。

一旦電流增大,芯片電感就開(kāi)始下降。因此,大多數情況下,額定ISAT的定義不適用于芯片電感。規定了溫度上升的額定rms電流也決定了芯片電感的額定電流。電感值隨溫度下降,不隨直流電流下降,是芯片電感的另一個(gè)特性。關(guān)于實(shí)際的電感值,系統設計人員必須謹慎選擇正確的電感,并按照規格說(shuō)明書(shū)找到最小的電感值。電感選擇不正確會(huì )影響到穩定性,引起次諧波振蕩(sub-harmONic oscillations),和/或降低開(kāi)關(guān)的額定輸出電流。

與陶瓷電容的情況相同,設計人員應當主要關(guān)注實(shí)際工作情況中的電感值,而非額定電感值。如何為磁性降壓轉換器選擇電感的額定電流呢?如果電感的額定IRMS大于所需輸出電流,最容易的方法是選擇額定值大于或等于開(kāi)關(guān)的最大電流限值的ISAT。不過(guò),正如我們在芯片電感中看到的,我們必須搜尋滿(mǎn)足穩定性和輸出電流要求的最小電感值。

選擇較高值的芯片電感(比如用3.3μH代替2.2μH) 來(lái)滿(mǎn)足電感要求是不可行的,因為對相同外殼尺寸的電感器,電感值越高,其下降就越劇烈。此外,芯片電感廠(chǎng)商間存在著(zhù)各種差異。例如,廠(chǎng)商A可能采用低滲透性材料,使電感值逐步改變。但這種方案需要更多的介電層。因此,較之采用高滲透率材料、下降更劇烈的廠(chǎng)商B,A將有更高的DCR,B的DCR較低。

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