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Riepilogo

Gli induttori sono componenti molto importanti nei convertitori a commutazione, come accumulatori di energia e filtri di potenza. Esistono molti tipi di induttori, ad esempio per diverse applicazioni (dalla bassa frequenza all'alta frequenza), o diversi materiali del nucleo che influenzano le caratteristiche dell'induttore e così via. Gli induttori utilizzati nei convertitori a commutazione sono componenti magnetici ad alta frequenza. Tuttavia, a causa di vari fattori quali materiali, condizioni operative (come tensione e corrente) e temperatura ambiente, le caratteristiche e le teorie presentate sono piuttosto diverse. Pertanto, nella progettazione del circuito, oltre al parametro fondamentale del valore di induttanza, è necessario considerare anche il rapporto tra l'impedenza dell'induttore e la resistenza e la frequenza CA, la perdita del nucleo e le caratteristiche della corrente di saturazione, ecc. Questo articolo introdurrà diversi importanti materiali del nucleo dell'induttore e le loro caratteristiche e guiderà inoltre gli ingegneri energetici nella scelta degli induttori standard disponibili in commercio.

Prefazione

L'induttore è un componente di induzione elettromagnetica, che si forma avvolgendo un certo numero di bobine (bobina) su una bobina o nucleo con un filo isolato. Questa bobina è chiamata bobina di induttanza o induttore. Secondo il principio dell'induzione elettromagnetica, quando la bobina e il campo magnetico si muovono l'uno rispetto all'altro, o la bobina genera un campo magnetico alternato attraverso una corrente alternata, verrà generata una tensione indotta per resistere al cambiamento del campo magnetico originale, e questa caratteristica di limitare la variazione di corrente è chiamata induttanza.

La formula del valore dell'induttanza è la formula (1), che è proporzionale alla permeabilità magnetica, al quadrato delle spire dell'avvolgimento N e all'area della sezione trasversale del circuito magnetico equivalente Ae, ed è inversamente proporzionale alla lunghezza del circuito magnetico equivalente le . Esistono molti tipi di induttanza, ciascuno adatto a diverse applicazioni; l'induttanza è correlata alla forma, alle dimensioni, al metodo di avvolgimento, al numero di spire e al tipo di materiale magnetico intermedio.

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A seconda della forma del nucleo di ferro, l'induttanza comprende nucleo toroidale, E e tamburo; in termini di materiale del nucleo in ferro, ci sono principalmente nuclei in ceramica e due tipi magnetici morbidi. Sono ferrite e polvere metallica. A seconda della struttura o del metodo di imballaggio, sono presenti fili avvolti, multistrato e stampati e il filo avvolto non è schermato e metà della colla magnetica è schermata (semi-schermata) e schermata (schermata), ecc.

L'induttore agisce come un cortocircuito in corrente continua e presenta un'elevata impedenza alla corrente alternata. Gli usi di base nei circuiti includono il soffocamento, il filtraggio, la sintonizzazione e l'immagazzinamento di energia. Nell'applicazione del convertitore a commutazione, l'induttore è il componente più importante per l'accumulo di energia e forma un filtro passa-basso con il condensatore di uscita per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita, quindi svolge anche un ruolo importante nella funzione di filtraggio.

Questo articolo introdurrà i vari materiali di base degli induttori e le loro caratteristiche, nonché alcune caratteristiche elettriche degli induttori, come importante riferimento di valutazione per la selezione degli induttori durante la progettazione del circuito. Nell'esempio applicativo verrà introdotto attraverso esempi pratici come calcolare il valore dell'induttanza e come scegliere un induttore standard disponibile in commercio.

Tipo di materiale d'anima

Gli induttori utilizzati nei convertitori a commutazione sono componenti magnetici ad alta frequenza. Il materiale del nucleo al centro influenza maggiormente le caratteristiche dell'induttore, come impedenza e frequenza, valore e frequenza di induttanza o caratteristiche di saturazione del nucleo. Di seguito verrà introdotto il confronto tra diversi materiali comuni del nucleo in ferro e le relative caratteristiche di saturazione come riferimento importante per la selezione degli induttori di potenza:

1. Nucleo in ceramica

Il nucleo ceramico è uno dei materiali di induttanza più comuni. Viene utilizzato principalmente per fornire la struttura di supporto utilizzata durante l'avvolgimento della bobina. Viene anche chiamato "induttore con nucleo d'aria". Poiché il nucleo di ferro utilizzato è un materiale non magnetico con un coefficiente di temperatura molto basso, il valore di induttanza è molto stabile nell'intervallo di temperature di esercizio. Tuttavia, a causa del materiale non magnetico come mezzo, l'induttanza è molto bassa, il che non è molto adatta per l'applicazione di convertitori di potenza.

2. Ferrite

Il nucleo di ferrite utilizzato negli induttori generali ad alta frequenza è un composto di ferrite contenente nichel zinco (NiZn) o zinco manganese (MnZn), che è un materiale ferromagnetico magnetico morbido con bassa coercività. La Figura 1 mostra la curva di isteresi (anello BH) di un nucleo magnetico generale. La forza coercitiva HC di un materiale magnetico è anche chiamata forza coercitiva, il che significa che quando il materiale magnetico è stato magnetizzato fino alla saturazione magnetica, la sua magnetizzazione (magnetizzazione) viene ridotta a zero. L'intensità del campo magnetico richiesta in quel momento. Una coercività inferiore significa una minore resistenza alla smagnetizzazione e significa anche una minore perdita di isteresi.

Le ferriti manganese-zinco e nichel-zinco hanno una permeabilità relativa relativamente elevata (μr), rispettivamente circa 1500-15000 e 100-1000. La loro elevata permeabilità magnetica rende il nucleo di ferro più alto in un certo volume. L'induttanza. Tuttavia, lo svantaggio è che la corrente di saturazione tollerabile è bassa e, una volta che il nucleo di ferro è saturo, la permeabilità magnetica diminuirà drasticamente. Fare riferimento alla Figura 4 per l'andamento decrescente della permeabilità magnetica dei nuclei di ferrite e polvere di ferro quando il nucleo di ferro è saturo. Confronto. Se utilizzato negli induttori di potenza, nel circuito magnetico principale verrà lasciato un traferro, che può ridurre la permeabilità, evitare la saturazione e immagazzinare più energia; quando è incluso il traferro, la permeabilità relativa equivalente può essere di circa 20-tra 200. Poiché l'elevata resistività del materiale stesso può ridurre la perdita causata dalle correnti parassite, la perdita è inferiore alle alte frequenze ed è più adatta per trasformatori ad alta frequenza, induttori di filtro EMI e induttori di accumulo di energia di convertitori di potenza. In termini di frequenza operativa, la ferrite al nichel-zinco è adatta all'uso (>1 MHz), mentre la ferrite al manganese-zinco è adatta per le bande di frequenza più basse (<2 MHz).

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Figura 1. La curva di isteresi del nucleo magnetico (BR: rimanenza; BSAT: densità del flusso magnetico di saturazione)

3. Nucleo di ferro in polvere

Anche i nuclei di ferro in polvere sono materiali ferromagnetici a magnetismo dolce. Sono realizzati con leghe di polvere di ferro di diversi materiali o solo polvere di ferro. La formula contiene materiali non magnetici con particelle di diverse dimensioni, quindi la curva di saturazione è relativamente delicata. Il nucleo di ferro in polvere è prevalentemente toroidale. La Figura 2 mostra il nucleo di ferro in polvere e la sua vista in sezione trasversale.

I comuni nuclei di ferro in polvere includono la lega di ferro-nichel-molibdeno (MPP), il sendust (Sendust), la lega di ferro-nichel (ad alto flusso) e il nucleo di polvere di ferro (polvere di ferro). A causa dei diversi componenti, anche le sue caratteristiche e i suoi prezzi sono diversi, il che influisce sulla scelta degli induttori. Di seguito verranno presentati i tipi di base sopra menzionati e verranno confrontate le loro caratteristiche:

A. Lega ferro-nichel-molibdeno (MPP)

La lega Fe-Ni-Mo è abbreviata in MPP, che è l'abbreviazione di polvere di molypermalloy. La permeabilità relativa è di circa 14-500 e la densità del flusso magnetico di saturazione è di circa 7500 Gauss (Gauss), che è superiore alla densità del flusso magnetico di saturazione della ferrite (circa 4000-5000 Gauss). Molti fuori. MPP ha la perdita di ferro più piccola e ha la migliore stabilità termica tra i nuclei di ferro in polvere. Quando la corrente continua esterna raggiunge la corrente di saturazione ISAT, il valore dell'induttanza diminuisce lentamente senza brusche attenuazioni. L'MPP offre prestazioni migliori ma costi più elevati e viene solitamente utilizzato come induttore di potenza e filtro EMI per i convertitori di potenza.

B. Sendust

Il nucleo di ferro in lega di ferro-silicio-alluminio è un nucleo di ferro in lega composto da ferro, silicio e alluminio, con una permeabilità magnetica relativa compresa tra circa 26 e 125. La perdita di ferro è tra il nucleo di polvere di ferro e MPP e lega di ferro-nichel . La densità del flusso magnetico di saturazione è superiore a MPP, circa 10500 Gauss. La stabilità della temperatura e le caratteristiche della corrente di saturazione sono leggermente inferiori all'MPP e alla lega ferro-nichel, ma migliori del nucleo in polvere di ferro e del nucleo in ferrite, e il costo relativo è più economico dell'MPP e della lega ferro-nichel. Viene utilizzato principalmente nel filtraggio EMI, nei circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC) e negli induttori di potenza dei convertitori di potenza a commutazione.

C. Lega ferro-nichel (alto flusso)

Il nucleo in lega di ferro-nichel è costituito da ferro e nichel. La permeabilità magnetica relativa è di circa 14-200. La perdita di ferro e la stabilità della temperatura sono tra MPP e lega ferro-silicio-alluminio. Il nucleo in lega di ferro-nichel ha la più alta densità di flusso magnetico di saturazione, circa 15.000 Gauss, e può sopportare correnti di polarizzazione CC più elevate e anche le sue caratteristiche di polarizzazione CC sono migliori. Ambito di applicazione: correzione del fattore di potenza attivo, induttanza di accumulo di energia, induttanza del filtro, trasformatore ad alta frequenza del convertitore flyback, ecc.

D. Polvere di ferro

Il nucleo in polvere di ferro è costituito da particelle di polvere di ferro di elevata purezza con particelle molto piccole isolate le une dalle altre. Il processo di fabbricazione gli conferisce un traferro distribuito. Oltre alla forma ad anello, le forme comuni del nucleo in polvere di ferro hanno anche tipi E e tipi stampati. La permeabilità magnetica relativa del nucleo di polvere di ferro è compresa tra circa 10 e 75 e la densità del flusso magnetico ad alta saturazione è di circa 15.000 Gauss. Tra i nuclei in polvere di ferro, il nucleo in polvere di ferro presenta la perdita di ferro più elevata ma il costo più basso.

La Figura 3 mostra le curve BH della ferrite manganese-zinco PC47 prodotta da TDK e dei nuclei di ferro in polvere -52 e -2 prodotti da MICROMETALS; la permeabilità magnetica relativa della ferrite di manganese-zinco è molto superiore a quella dei nuclei di ferro in polvere ed è satura. Anche la densità del flusso magnetico è molto diversa, la ferrite è di circa 5000 Gauss e il nucleo di polvere di ferro è superiore a 10000 Gauss.

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Figura 3. Curva BH di nuclei di ferrite di manganese-zinco e polvere di ferro di diversi materiali

In sintesi, le caratteristiche di saturazione del nucleo di ferro sono diverse; una volta superata la corrente di saturazione, la permeabilità magnetica del nucleo di ferrite diminuirà drasticamente, mentre il nucleo di polvere di ferro può diminuire lentamente. La Figura 4 mostra le caratteristiche della caduta di permeabilità magnetica di un nucleo di ferro in polvere con la stessa permeabilità magnetica e di una ferrite con un traferro sotto diverse intensità di campo magnetico. Ciò spiega anche l'induttanza del nucleo di ferrite, poiché la permeabilità diminuisce bruscamente quando il nucleo è saturo, come si può vedere dall'equazione (1), provoca anche una brusca caduta dell'induttanza; mentre il nucleo in polvere con traferro distribuito, la permeabilità magnetica diminuisce lentamente quando il nucleo di ferro è saturo, quindi l'induttanza diminuisce più delicatamente, ovvero ha migliori caratteristiche di polarizzazione CC. Nell'applicazione dei convertitori di potenza questa caratteristica è molto importante; se la caratteristica di saturazione lenta dell'induttore non è buona, la corrente dell'induttore aumenta fino alla corrente di saturazione e l'improvviso calo dell'induttanza causerà un brusco aumento della sollecitazione corrente del cristallo di commutazione, il che può facilmente causare danni.

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Figura 4. Caratteristiche della caduta di permeabilità magnetica del nucleo di ferro in polvere e del nucleo di ferro in ferrite con traferro in condizioni di diversa intensità del campo magnetico.

Caratteristiche elettriche dell'induttore e struttura del package

Quando si progetta un convertitore a commutazione e si seleziona un induttore, il valore dell'induttanza L, l'impedenza Z, la resistenza CA ACR e il valore Q (fattore di qualità), la corrente nominale IDC e ISAT e la perdita del nucleo (perdita del nucleo) e altre importanti caratteristiche elettriche sono tutti must essere considerato. Inoltre, la struttura dell'induttore influenzerà l'entità della dispersione magnetica, che a sua volta influirà sulle EMI. Di seguito verranno discusse separatamente le caratteristiche sopra menzionate come considerazioni per la selezione degli induttori.

1. Valore di induttanza (L)

Il valore di induttanza di un induttore è il parametro di base più importante nella progettazione di un circuito, ma è necessario verificare se il valore di induttanza è stabile alla frequenza operativa. Il valore nominale dell'induttanza viene solitamente misurato a 100 kHz o 1 MHz senza polarizzazione CC esterna. E per garantire la possibilità di una produzione automatizzata di massa, la tolleranza dell'induttore è solitamente ±20% (M) e ±30% (N). La Figura 5 è il grafico delle caratteristiche di induttanza-frequenza dell'induttore Taiyo Yuden NR4018T220M misurato con il misuratore LCR di Wayne Kerr. Come mostrato nella figura, la curva del valore dell'induttanza è relativamente piatta prima dei 5 MHz e il valore dell'induttanza può quasi essere considerato una costante. Nella banda ad alta frequenza, a causa della risonanza generata dalla capacità parassita e dall'induttanza, il valore dell'induttanza aumenterà. Questa frequenza di risonanza è chiamata frequenza di auto-risonanza (SRF), che di solito deve essere molto più alta della frequenza operativa.

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Figura 5, diagramma di misurazione caratteristica induttanza-frequenza Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Impedenza (Z)

Come mostrato nella Figura 6, il diagramma dell'impedenza può essere visto anche dalle prestazioni dell'induttanza a frequenze diverse. L'impedenza dell'induttore è approssimativamente proporzionale alla frequenza (Z=2πfL), quindi maggiore è la frequenza, la reattanza sarà molto maggiore della resistenza CA, quindi l'impedenza si comporta come un'induttanza pura (la fase è 90˚). Alle alte frequenze, a causa dell'effetto della capacità parassita, è possibile vedere il punto di frequenza autorisonante dell'impedenza. Dopo questo punto l'impedenza diminuisce e diventa capacitiva e la fase passa gradualmente a -90 ˚.

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3. Valore Q e resistenza CA (ACR)

Il valore Q nella definizione di induttanza è il rapporto tra reattanza e resistenza, cioè il rapporto tra la parte immaginaria e la parte reale dell'impedenza, come nella formula (2).

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Dove XL è la reattanza dell'induttore e RL è la resistenza CA dell'induttore.

Nella gamma delle basse frequenze, la resistenza AC è maggiore della reattanza causata dall'induttanza, quindi il suo valore Q è molto basso; all'aumentare della frequenza, la reattanza (circa 2πfL) diventa sempre più grande, anche se la resistenza dovuta all'effetto pelle (effetto pelle) e all'effetto prossimità (prossimità)) L'effetto diventa sempre più grande e il valore Q aumenta ancora con la frequenza ; quando ci si avvicina a SRF, la reattanza induttiva viene gradualmente compensata dalla reattanza capacitiva e il valore Q diminuisce gradualmente; quando l'SRF diventa zero, perché la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva sono completamente uguali scompaiono. La Figura 7 mostra la relazione tra il valore Q e la frequenza dell'NR4018T220M e la relazione ha la forma di una campana rovesciata.

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Figura 7. La relazione tra il valore Q e la frequenza dell'induttore Taiyo Yuden NR4018T220M

Nella banda di frequenza dell'induttanza, maggiore è il valore Q, meglio è; significa che la sua reattanza è molto maggiore della resistenza AC. In generale, il miglior valore Q è superiore a 40, il che significa che la qualità dell'induttore è buona. Tuttavia, generalmente all'aumentare della polarizzazione CC, il valore dell'induttanza diminuirà e anche il valore Q diminuirà. Se si utilizza un filo piatto smaltato o un filo smaltato multifilare, è possibile ridurre l'effetto pelle, ovvero la resistenza CA, e aumentare anche il valore Q dell'induttore.

La resistenza CC DCR è generalmente considerata come la resistenza CC del filo di rame e la resistenza può essere calcolata in base al diametro e alla lunghezza del filo. Tuttavia, la maggior parte degli induttori SMD a bassa corrente utilizzeranno la saldatura a ultrasuoni per realizzare il foglio di rame dell'SMD sul terminale dell'avvolgimento. Tuttavia, poiché il filo di rame non è lungo e il valore di resistenza non è elevato, la resistenza di saldatura spesso rappresenta una percentuale considerevole della resistenza CC complessiva. Prendendo come esempio l'induttore SMD a filo avvolto CLF6045NIT-1R5N di TDK, la resistenza CC misurata è 14,6 mΩ e la resistenza CC calcolata in base al diametro e alla lunghezza del filo è 12,1 mΩ. I risultati mostrano che questa resistenza di saldatura rappresenta circa il 17% della resistenza DC complessiva.

La resistenza AC ACR ha un effetto pelle e un effetto di prossimità, che causeranno un aumento dell'ACR con la frequenza; nell'applicazione dell'induttanza generale, poiché la componente AC è molto inferiore alla componente DC, l'influenza causata dall'ACR non è evidente; ma a carico leggero, poiché la componente CC è ridotta, la perdita causata dall'ACR non può essere ignorata. L'effetto pelle significa che in condizioni CA, la distribuzione della corrente all'interno del conduttore non è uniforme e concentrata sulla superficie del filo, con conseguente riduzione dell'area della sezione trasversale equivalente del filo, che a sua volta aumenta la resistenza equivalente del filo con frequenza. Inoltre, in un avvolgimento di filo, i fili adiacenti causeranno l'addizione e la sottrazione di campi magnetici dovuti alla corrente, in modo che la corrente si concentri sulla superficie adiacente al filo (o sulla superficie più lontana, a seconda della direzione della corrente ), che provoca anche l'intercettazione equivalente del filo. Il fenomeno per cui l'area diminuisce e la resistenza equivalente aumenta è il cosiddetto effetto di prossimità; nell'applicazione dell'induttanza di un avvolgimento multistrato l'effetto di prossimità è ancora più evidente.

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La Figura 8 mostra la relazione tra la resistenza CA e la frequenza dell'induttore SMD a filo avvolto NR4018T220M. Alla frequenza di 1kHz la resistenza è di circa 360mΩ; a 100kHz la resistenza sale a 775mΩ; a 10 MHz, il valore della resistenza è vicino a 160 Ω. Quando si stima la perdita di rame, il calcolo deve considerare l'ACR causato dagli effetti pelle e prossimità e modificarlo nella formula (3).

4. Corrente di saturazione (ISAT)

La corrente di saturazione ISAT è generalmente la corrente di polarizzazione contrassegnata quando il valore di induttanza viene attenuato, ad esempio 10%, 30% o 40%. Per la ferrite con traferro, poiché la sua caratteristica di corrente di saturazione è molto rapida, non c'è molta differenza tra il 10% e il 40%. Fare riferimento alla Figura 4. Tuttavia, se si tratta di un nucleo in polvere di ferro (come un induttore stampato), la curva di saturazione è relativamente delicata, come mostrato nella Figura 9, la corrente di polarizzazione al 10% o al 40% dell'attenuazione dell'induttanza è molto diverso, quindi il valore della corrente di saturazione verrà discusso separatamente per i due tipi di nuclei di ferro come segue.

Per una ferrite con traferro, è ragionevole utilizzare ISAT come limite superiore della corrente massima dell'induttore per le applicazioni del circuito. Tuttavia, se si tratta di un nucleo in polvere di ferro, a causa della caratteristica di lenta saturazione, non ci saranno problemi anche se la corrente massima del circuito applicativo supera ISAT. Pertanto, questa caratteristica del nucleo in ferro è più adatta per applicazioni con convertitori a commutazione. Sotto carico pesante, sebbene il valore di induttanza dell'induttore sia basso, come mostrato nella Figura 9, il fattore di ondulazione della corrente è elevato, ma la tolleranza della corrente del condensatore di corrente è elevata, quindi non sarà un problema. Sotto carico leggero, il valore di induttanza dell'induttore è maggiore, il che aiuta a ridurre la corrente di ondulazione dell'induttore, riducendo così la perdita di ferro. La Figura 9 confronta la curva della corrente di saturazione della ferrite avvolta SLF7055T1R5N di TDK e dell'induttore con nucleo in polvere di ferro stampato SPM6530T1R5M con lo stesso valore nominale di induttanza.

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Figura 9. Curva della corrente di saturazione della ferrite avvolta e del nucleo in polvere di ferro stampato con lo stesso valore nominale di induttanza

5. Corrente nominale (IDC)

Il valore IDC è la polarizzazione DC quando la temperatura dell'induttore sale a Tr˚C. Le specifiche indicano anche il suo valore di resistenza CC RDC a 20˚C. Secondo il coefficiente di temperatura del filo di rame è di circa 3.930 ppm, quando la temperatura di Tr aumenta, il suo valore di resistenza è RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr) e il suo consumo energetico è PCU = I2DCxRDC. Questa perdita di rame viene dissipata sulla superficie dell'induttore e la resistenza termica ΘTH dell'induttore può essere calcolata:

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La tabella 2 fa riferimento alla scheda tecnica della serie TDK VLS6045EX (6,0×6,0×4,5 mm) e calcola la resistenza termica con un aumento di temperatura di 40˚C. Ovviamente, per induttori della stessa serie e dimensione, la resistenza termica calcolata è pressoché la stessa a causa della stessa area superficiale di dissipazione del calore; in altre parole, è possibile stimare la corrente nominale IDC di diversi induttori. Diverse serie (pacchetti) di induttori hanno diverse resistenze termiche. La tabella 3 confronta la resistenza termica degli induttori della serie TDK VLS6045EX (semischermata) e della serie SPM6530 (stampata). Maggiore è la resistenza termica, maggiore è l'aumento di temperatura generato quando l'induttanza attraversa la corrente di carico; altrimenti, il più basso.

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Tabella 2. Resistenza termica degli induttori della serie VLS6045EX ad un aumento di temperatura di 40˚C

Dalla Tabella 3 si può vedere che anche se le dimensioni degli induttori sono simili, la resistenza termica degli induttori stampati è bassa, cioè la dissipazione del calore è migliore.

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Tabella 3. Confronto della resistenza termica di diversi induttori del pacchetto.

6. Perdita del nucleo

La perdita del nucleo, denominata perdita di ferro, è causata principalmente dalla perdita di correnti parassite e dalla perdita di isteresi. L'entità della perdita per correnti parassite dipende principalmente dalla facilità o meno della “conduzione” del materiale del nucleo; se la conduttività è elevata, cioè la resistività è bassa, la perdita per correnti parassite è elevata e se la resistività della ferrite è elevata, la perdita per correnti parassite è relativamente bassa. Anche la perdita di correnti parassite è correlata alla frequenza. Maggiore è la frequenza, maggiore è la perdita di correnti parassite. Pertanto, il materiale del nucleo determinerà la corretta frequenza operativa del nucleo. In generale, la frequenza di lavoro del nucleo in polvere di ferro può raggiungere 1 MHz e la frequenza di lavoro della ferrite può raggiungere 10 MHz. Se la frequenza operativa supera questa frequenza, la perdita di correnti parassite aumenterà rapidamente e anche la temperatura del nucleo di ferro aumenterà. Tuttavia, con il rapido sviluppo dei materiali con nucleo in ferro, i nuclei in ferro con frequenze operative più elevate dovrebbero essere proprio dietro l’angolo.

Un'altra perdita di ferro è la perdita per isteresi, che è proporzionale all'area racchiusa dalla curva di isteresi, che è correlata all'ampiezza dell'oscillazione della componente CA della corrente; maggiore è l'oscillazione CA, maggiore è la perdita di isteresi.

Nel circuito equivalente di un induttore, viene spesso utilizzato un resistore collegato in parallelo all'induttore per esprimere la perdita di ferro. Quando la frequenza è uguale a SRF, la reattanza induttiva e la reattanza capacitiva si annullano e la reattanza equivalente è zero. A questo punto, l'impedenza dell'induttore è equivalente alla resistenza alla perdita del ferro in serie con la resistenza dell'avvolgimento, e la resistenza alla perdita del ferro è molto maggiore della resistenza dell'avvolgimento, quindi l'impedenza su SRF è approssimativamente uguale alla resistenza alla perdita del ferro. Prendendo come esempio un induttore a bassa tensione, la sua resistenza alla perdita di ferro è di circa 20 kΩ. Se si stima che il valore effettivo della tensione su entrambe le estremità dell'induttore sia 5 V, la sua perdita di ferro è di circa 1,25 mW, il che dimostra anche che maggiore è la resistenza alla perdita di ferro, meglio è.

7. Struttura dello scudo

La struttura dell'imballaggio degli induttori in ferrite comprende non schermati, semi-schermati con colla magnetica e schermati, e in entrambi è presente un notevole traferro d'aria. Ovviamente, il traferro presenterà una perdita magnetica e, nel peggiore dei casi, interferirà con i piccoli circuiti di segnale circostanti o, se è presente un materiale magnetico nelle vicinanze, anche la sua induttanza verrà modificata. Un'altra struttura di confezionamento è un induttore di polvere di ferro stampato. Poiché non vi è alcuno spazio vuoto all'interno dell'induttore e la struttura dell'avvolgimento è solida, il problema della dissipazione del campo magnetico è relativamente piccolo. La Figura 10 mostra l'uso della funzione FFT dell'oscilloscopio RTO 1004 per misurare l'entità del campo magnetico di dispersione a 3 mm sopra e sul lato dell'induttore stampato. La Tabella 4 elenca il confronto del campo magnetico di dispersione di induttori con struttura di contenitore diversa. Si può vedere che gli induttori non schermati presentano le perdite magnetiche più gravi; gli induttori stampati hanno la perdita magnetica più piccola, mostrando il miglior effetto di schermatura magnetica. . La differenza nell'entità del campo magnetico di dispersione degli induttori di queste due strutture è di circa 14 dB, ovvero quasi 5 volte.

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Figura 10. L'entità del campo magnetico di dispersione misurato a 3 mm sopra e sul lato dell'induttore stampato

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Tabella 4. Confronto del campo magnetico di dispersione di induttori con struttura del pacchetto diversa

8. accoppiamento

In alcune applicazioni, a volte sul PCB sono presenti più set di convertitori CC, che di solito sono disposti uno accanto all'altro, e anche i loro induttori corrispondenti sono disposti uno accanto all'altro. Se si utilizza un tipo non schermato o semi-schermato con colla magnetica, gli induttori possono essere accoppiati tra loro per formare interferenze EMI. Pertanto, quando si posiziona l'induttore, si consiglia di contrassegnare prima la polarità dell'induttore e collegare il punto iniziale e di avvolgimento dello strato più interno dell'induttore alla tensione di commutazione del convertitore, come il VSW di un convertitore buck, che è il punto in movimento. Il terminale di uscita è collegato al condensatore di uscita, che è il punto statico; l'avvolgimento del filo di rame forma quindi un certo grado di schermatura del campo elettrico. Nella disposizione del cablaggio del multiplexer, fissare la polarità dell'induttanza aiuta a fissare l'entità della mutua induttanza ed evitare alcuni problemi EMI imprevisti.

Applicazioni:

Nel capitolo precedente sono stati discussi il materiale del nucleo, la struttura del contenitore e le importanti caratteristiche elettriche dell'induttore. Questo capitolo spiegherà come scegliere il valore di induttanza appropriato del convertitore buck e le considerazioni per la scelta di un induttore disponibile in commercio.

Come mostrato nell'equazione (5), il valore dell'induttore e la frequenza di commutazione del convertitore influenzeranno la corrente di ripple dell'induttore (ΔiL). La corrente di ondulazione dell'induttore fluirà attraverso il condensatore di uscita e influenzerà la corrente di ondulazione del condensatore di uscita. Pertanto, influenzerà la selezione del condensatore di uscita e influenzerà ulteriormente la dimensione dell'ondulazione della tensione di uscita. Inoltre, il valore dell'induttanza e quello della capacità di uscita influenzeranno anche la progettazione del feedback del sistema e la risposta dinamica del carico. La scelta di un valore di induttanza maggiore comporta una minore sollecitazione di corrente sul condensatore ed è anche vantaggiosa per ridurre l'ondulazione della tensione di uscita e può immagazzinare più energia. Tuttavia, un valore di induttanza maggiore indica un volume maggiore, ovvero un costo maggiore. Pertanto, quando si progetta il convertitore, la progettazione del valore dell'induttanza è molto importante.

(5)

Dalla formula (5) si può vedere che quando il divario tra la tensione di ingresso e la tensione di uscita è maggiore, la corrente di ripple dell'induttore sarà maggiore, che è la condizione peggiore del progetto dell'induttore. Insieme ad altre analisi induttive, il punto di progetto dell'induttanza del convertitore step-down dovrebbe solitamente essere selezionato nelle condizioni di massima tensione di ingresso e pieno carico.

Quando si progetta il valore dell'induttanza, è necessario effettuare un compromesso tra la corrente di ondulazione dell'induttore e le dimensioni dell'induttore, e il fattore di corrente di ondulazione (fattore di corrente di ondulazione; γ) viene definito qui, come nella formula (6).

（6）

Sostituendo la formula (6) nella formula (5), il valore di induttanza può essere espresso come formula (7).

（7）

Secondo la formula (7), quando la differenza tra la tensione di ingresso e quella di uscita è maggiore, il valore γ può essere selezionato maggiore; al contrario, se la tensione di ingresso e quella di uscita sono più vicine, il valore γ di progetto dovrà essere minore. Per scegliere tra la corrente di ripple dell'induttore e la dimensione, secondo il valore dell'esperienza di progettazione tradizionale, γ è solitamente compreso tra 0,2 e 0,5. Di seguito viene preso come esempio RT7276 per illustrare il calcolo dell'induttanza e la selezione degli induttori disponibili in commercio.

Esempio di progettazione: progettato con convertitore step-down con raddrizzatore sincrono RT7276 con tempo di accensione costante avanzato (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), la frequenza di commutazione è 700 kHz, la tensione di ingresso è compresa tra 4,5 V e 18 V e la tensione di uscita è 1,05 V. . La corrente a pieno carico è 3A. Come accennato in precedenza, il valore dell'induttanza deve essere progettato nelle condizioni della tensione di ingresso massima di 18 V e del pieno carico di 3 A, il valore di γ viene preso come 0,35 e il valore sopra indicato viene sostituito nell'equazione (7), l'induttanza il valore è

Utilizzare un induttore con un valore di induttanza nominale convenzionale di 1,5 µH. Formula sostitutiva (5) per calcolare la corrente di ondulazione dell'induttore come segue.

Pertanto, la corrente di picco dell'induttore è

E il valore effettivo della corrente dell'induttore (IRMS) lo è

Poiché la componente di ondulazione dell'induttore è piccola, il valore effettivo della corrente dell'induttore è principalmente la sua componente CC e questo valore effettivo viene utilizzato come base per selezionare la corrente nominale IDC dell'induttore. Con un design con declassamento (declassamento) dell'80%, i requisiti di induttanza sono:

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

La Tabella 5 elenca gli induttori disponibili di diverse serie di TDK, simili nelle dimensioni ma diverse nella struttura del contenitore. Dalla tabella si può vedere che la corrente di saturazione e la corrente nominale dell'induttore stampato (SPM6530T-1R5M) sono elevate, la resistenza termica è ridotta e la dissipazione del calore è buona. Inoltre, secondo quanto discusso nel capitolo precedente, il materiale del nucleo dell'induttore stampato è un nucleo in polvere di ferro, quindi viene confrontato con il nucleo di ferrite degli induttori semi-schermati (VLS6045EX-1R5N) e schermati (SLF7055T-1R5N). con colla magnetica. , Presenta buone caratteristiche di polarizzazione CC. La Figura 11 mostra il confronto dell'efficienza di diversi induttori applicati al convertitore step-down avanzato con rettificazione sincrona a tempo di accensione costante RT7276. I risultati mostrano che la differenza di efficienza tra i tre non è significativa. Se si considerano la dissipazione del calore, le caratteristiche di polarizzazione CC e i problemi di dissipazione del campo magnetico, si consiglia di utilizzare induttori SPM6530T-1R5M.

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Tabella 5. Confronto delle induttanze di diverse serie di TDK

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Figura 11. Confronto dell'efficienza del convertitore con diversi induttori

Se si sceglie la stessa struttura del contenitore e lo stesso valore di induttanza, ma induttori di dimensioni più piccole, come SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5 mm), sebbene le sue dimensioni siano piccole, ma la resistenza CC RDC (44,5 mΩ) e la resistenza termica ΘTH ( 51˚C) /W) Più grande. Per convertitori con le stesse specifiche anche il valore efficace della corrente tollerata dall'induttore è lo stesso. Ovviamente, la resistenza CC ridurrà l'efficienza sotto carico pesante. Inoltre, una grande resistenza termica significa scarsa dissipazione del calore. Pertanto, quando si sceglie un induttore, non è necessario solo considerare i vantaggi delle dimensioni ridotte, ma anche valutare i relativi difetti.

Insomma

L'induttanza è uno dei componenti passivi comunemente utilizzati nei convertitori di potenza a commutazione, che può essere utilizzato per l'accumulo e il filtraggio dell'energia. Tuttavia, nella progettazione del circuito, non è necessario prestare attenzione solo al valore dell'induttanza, ma anche ad altri parametri, tra cui la resistenza CA e il valore Q, la tolleranza di corrente, la saturazione del nucleo di ferro e la struttura del contenitore, ecc., sono tutti parametri che devono essere presi in considerazione. essere considerato quando si sceglie un induttore. . Questi parametri sono solitamente correlati al materiale del nucleo, al processo di produzione, alle dimensioni e al costo. Pertanto, questo articolo presenta le caratteristiche dei diversi materiali del nucleo in ferro e come scegliere un'induttanza appropriata come riferimento per la progettazione dell'alimentatore.