Neiegkeeten

Resumé

Induktoren si ganz wichteg Komponenten beim Schalten vu Konverter, sou wéi Energielagerung a Kraaftfilter. Et gi vill Zorte vun inductors, wéi fir verschidden Uwendungen (vun niddereg Frequenz zu héich Frequenz), oder verschidde Kär Materialien déi d'Charakteristiken vun der inductor Afloss, etc. Induktoren, déi am Schaltkonverter benotzt ginn, sinn héichfrequenz magnetesch Komponenten. Wéi och ëmmer, wéinst verschiddene Faktoren wéi Materialien, Operatiounsbedingunge (wéi Spannung a Stroum), an Ëmfeldtemperatur, sinn d'Charakteristiken an Theorien déi presentéiert ginn ganz anescht. Dofir, am Circuit Design, nieft dem Basisparameter vum Induktanzwäert, muss d'Relatioun tëscht der Impedanz vum Induktor an der AC Resistenz a Frequenz, dem Kärverloscht an der Sättigungsstroumcharakteristiken, etc. Dësen Artikel wäert verschidde wichteg Induktorkärmaterialien an hir Charakteristike aféieren, an och Kraaftingenieuren guidéieren fir kommerziell verfügbar Standard Induktoren ze wielen.

Virwuert

Induktor ass en elektromagnéiteschen Induktiounskomponent, dee geformt gëtt andeems eng gewëssen Unzuel vu Spule (Spule) op enger Spull oder Kär mat engem isoléierten Drot gewind gëtt. Dës Spule gëtt eng Induktiounsspiral oder Induktor genannt. Geméiss dem Prinzip vun der elektromagnéitescher Induktioun, wann d'Spule an d'Magnéitfeld relativ zuenee beweegen, oder d'Spule en ofwiesselnd Magnéitfeld duerch en Ofwiesselungsstroum generéiert, gëtt eng induzéiert Spannung generéiert fir d'Verännerung vum originelle Magnéitfeld ze widderstoen, an dës Charakteristik fir déi aktuell Ännerung ze behalen gëtt Induktanz genannt.

D'Formel vum Induktiounswäert ass d'Formel (1), déi proportional zu der magnetescher Permeabilitéit ass, de Quadrat vun der Wicklung dréit N, an dem gläichwäertege magnetesche Circuit Querschnittsberäich Ae, an ass ëmgekéiert proportional zu der gläichwäerter magnetescher Circuitlängt le . Et gi vill Zorte vun inductance, all gëeegent fir verschidden Uwendungen; d'Induktioun ass mat der Form, der Gréisst, der Wicklungsmethod, der Zuel vun de Wendungen, an der Aart vum Zwëschenmagnetesche Material verbonnen.

(1)

Ofhängeg vun der Form vum Eisenkär enthält d'Induktanz toroidal, E Kär an Trommel; am Sënn vun Eisen Kär Material, ginn et haaptsächlech Keramik Kär an zwou mëll Magnéitfeld Zorte. Si sinn Ferrit a metallescht Pudder. Ofhängeg vun der Struktur oder der Verpakungsmethod sinn et Drot gewonn, Multi-Layer, a geformt, an den Drot gewonn huet net geschützt an d'Halschent vum Magnéitkleb geschützt (semi-geschirmt) a geschützt (geschirmt), etc.

Den Induktor handelt wéi e Kuerzschluss am Gläichstroum, a stellt eng héich Impedanz zum Ofwiesselungsstroum. D'Basis Uwendungen a Circuiten enthalen choking, Filteren, Tuning, an Energielagerung. Bei der Uwendung vum Schaltkonverter ass den Induktor déi wichtegst Energiespeicherkomponent, a bildt e Low-Passfilter mam Ausgangskondensator fir d'Ausgangsspannungsrippel ze reduzéieren, sou datt et och eng wichteg Roll an der Filterfunktioun spillt.

Dësen Artikel wäert déi verschidde Kärmaterialien vun Induktoren an hir Charakteristike aféieren, souwéi e puer vun den elektresche Charakteristike vun Induktoren, als eng wichteg Evaluatiounsreferenz fir Induktoren wärend dem Circuitdesign ze wielen. Am Applikatiounsbeispiel, wéi een den Induktanzwäert berechent a wéi ee kommerziell verfügbare Standardinduktor auswielt, gëtt duerch praktesch Beispiller agefouert.

Typ vun Kär Material

Induktoren, déi am Schaltkonverter benotzt ginn, sinn héichfrequenz magnetesch Komponenten. D'Kärmaterial am Zentrum beaflosst am meeschten d'Charakteristike vum Induktor, sou wéi Impedanz a Frequenz, Induktanzwäert a Frequenz, oder Kär Sättigungseigenschaften. Déi folgend wäert de Verglach vu verschiddene gemeinsame Eisenkärmaterialien an hir Sättigungseigenschaften als eng wichteg Referenz fir d'Auswiel vu Kraaftinduktoren virstellen:

1. Keramik Kär

Keramik Kär ass ee vun de gemeinsame Induktiounsmaterialien. Et gëtt haaptsächlech benotzt fir d'Ënnerstëtzungsstruktur ze liwweren déi benotzt gëtt wann d'Spule wandert. Et gëtt och "Loftkärinduktor" genannt. Well den Eisenkär, deen benotzt gëtt, en net-magnetescht Material mat engem ganz nidderegen Temperaturkoeffizient ass, ass den Induktanzwäert ganz stabil am Betribstemperaturberäich. Wéi och ëmmer, wéinst dem net-magnetesche Material als Medium ass d'Induktioun ganz niddereg, wat net ganz gëeegent ass fir d'Uwendung vu Stroumkonverter.

2. Ferrit

De Ferritkär, deen an allgemengen Héichfrequenz Induktoren benotzt gëtt, ass eng Ferritverbindung, déi Nickel Zink (NiZn) oder Mangan Zink (MnZn) enthält, wat e mëllt magnetescht ferromagnetescht Material mat gerénger Koerzivitéit ass. Figur 1 weist d'Hysteresis Curve (BH Loop) vun engem allgemenge magnetesche Kär. D'Zwangskraaft HC vun engem magnetesche Material gëtt och Zwangskraaft genannt, dat heescht datt wann d'magnetescht Material op magnetesch Sättigung magnetiséiert gouf, seng Magnetiséierung (Magnetiséierung) op Null reduzéiert gëtt. Méi niddereg Coercivitéit bedeit méi niddereg Resistenz géint Demagnetiséierung a bedeit och manner Hysteresisverloscht.

Mangan-Zink an Nickel-Zink Ferrite hu relativ héich relativer Permeabilitéit (μr), ongeféier 1500-15000 respektiv 100-1000. Hir héich magnetesch Permeabilitéit mécht den Eisenkär méi héich an engem gewësse Volumen. D'Induktioun. Wéi och ëmmer, den Nodeel ass datt seng tolerabel Sättigungsstroum niddereg ass, a wann den Eisenkär gesättegt ass, wäert d'magnetesch Permeabilitéit staark erofgoen. Kuckt d'Figur 4 fir den erofgaangend Trend vun der magnetescher Permeabilitéit vu Ferrit- a Pulver Eisenkären wann den Eisenkär gesättegt ass. Verglach. Wann se an Kraaftinduktoren benotzt ginn, gëtt e Loftspalt am Haaptmagnetesche Circuit verlooss, wat d'Permeabilitéit reduzéiere kann, Sättigung vermeiden a méi Energie späicheren; wann d'Loftspalt abegraff ass, kann déi gläichwäerteg relativ Permeabilitéit ongeféier 20 sinn - Tëscht 200. Zënter datt déi héich Resistivitéit vum Material selwer de Verloscht vum Eddystroum reduzéiere kann, ass de Verloscht méi niddereg bei héijer Frequenzen, an et ass méi gëeegent fir Héichfrequenz Transformatoren, EMI Filterinduktoren an Energiespeicherinduktoren vu Stroumkonverter. Wat d'Betribsfrequenz ugeet, ass Nickel-Zinkferrit gëeegent fir ze benotzen (> 1 MHz), während Mangan-Zinkferrit fir méi niddereg Frequenzbanden (<2 MHz) gëeegent ass.

1

Figure 1. D'Hysteresekurve vum magnetesche Kär (BR: Remanenz; BSAT: Sättigungsmagnetesch Fluxdicht)

3. Pudder Eisen Kär

Puder Eisen Käre sinn och mëll-magnetesch ferromagnetesch Materialien. Si sinn aus Eisenpulverlegierungen aus verschiddene Materialien oder nëmmen Eisenpulver gemaach. D'Formel enthält net-magnetesch Materialien mat verschiddene Partikelgréissten, sou datt d'Sättigungskurve relativ sanft ass. De Pulver Eisenkär ass meeschtens toroidal. Figur 2 weist de Pudder Eisen Kär a seng Querschnëtt Vue.

Gemeinsam pulveriséiert Eisenkären enthalen Eisen-Nickel-Molybdän-Legierung (MPP), Sendust (Sendust), Eisen-Néckel-Legierung (Héich Flux) an Eisenpulverkär (Eisenpulver). Wéinst de verschiddene Komponenten sinn hir Charakteristiken a Präisser och ënnerschiddlech, wat d'Wiel vun Induktoren beaflosst. Déi folgend wäerten déi uewe genannte Kärtypen virstellen an hir Charakteristike vergläichen:

A. Eisen-Nickel-Molybdänlegierung (MPP)

Fe-Ni-Mo Legierung gëtt als MPP verkierzt, wat d'Ofkierzung vu Molypermalloy Pudder ass. D'relativ Permeabilitéit ass ongeféier 14-500, an d'Sättigungsmagnetesch Fluxdicht ass ongeféier 7500 Gauss (Gauss), wat méi héich ass wéi d'Sättigungsmagnetesch Fluxdicht vu Ferrit (ongeféier 4000-5000 Gauss). Vill eraus. MPP huet dee klengste Eisenverloscht an huet déi bescht Temperaturstabilitéit tëscht Puder Eisenkären. Wann den externen DC Stroum de Sättigungsstroum ISAT erreecht, fällt den Induktanzwäert lues ouni abrupt Dämpfung erof. MPP huet besser Leeschtung awer méi héich Käschten, a gëtt normalerweis als Power Inductor an EMI Filterung fir Power Converter benotzt.

B. Sendust

Den Eisen-Silicium-Aluminiumlegierung Eisenkär ass en Legierung Eisenkär aus Eisen, Silizium an Aluminium, mat enger relativer magnetescher Permeabilitéit vu ronn 26 bis 125. . D'Sättigungsmagnetesch Fluxdicht ass méi héich wéi MPP, ongeféier 10500 Gauss. D'Temperaturstabilitéit an d'Sättigungsstroumeigenschaften si liicht manner wéi MPP an Eisen-Néckel-Legierung, awer besser wéi Eisenpulverkär a Ferritkär, an d'relativ Käschte si méi bëlleg wéi MPP an Eisen-Néckel-Legierung. Et gëtt meeschtens an EMI Filteren, Power Faktor Korrektur (PFC) Circuiten a Kraaftinduktoren vu Schaltkraaftkonverteren benotzt.

C. Eisen-Néckellegierung (héich Flux)

Den Eisen-Néckellegierungskär ass aus Eisen an Néckel. Déi relativ magnetesch Permeabilitéit ass ongeféier 14-200. Den Eisenverloscht an d'Temperaturstabilitéit sinn tëscht MPP an Eisen-Silicium-Aluminiumlegierung. Den Eisen-Néckellegierungskär huet déi héchst Sättigungsmagnetesch Fluxdicht, ongeféier 15.000 Gauss, a kann méi héich DC Biasstroum widderstoen, a seng DC Biascharakteristike sinn och besser. Applikatioun Ëmfang: Aktiv Muecht Faktor Korrektur, Energie Stockage inductance, Filter inductance, héich Frequenz Transformator vun Flyback Converter, etc.

D. Eisenpulver

Den Eisenpulverkär ass aus héichreiniger Eisenpulverpartikelen mat ganz klenge Partikelen, déi vuneneen isoléiert sinn. De Fabrikatiounsprozess mécht et e verdeelt Loftspalt. Zousätzlech zu der Ringform hunn déi gemeinsam Eisenpulver Kärformen och E-Typ a Stampingtypen. Déi relativ magnetesch Permeabilitéit vum Eisenpulverkär ass ongeféier 10 bis 75, an déi héich Sättigungsmagnetesch Fluxdicht ass ongeféier 15000 Gauss. Ënnert de Pulver Eisenkären huet den Eisenpulverkär den héchsten Eisenverloscht awer déi niddregst Käschten.

Figur 3 weist d'BH Kéiren vun PC47 Mangan-Zink ferrite hiergestallt vun TDK a powdered Eisen Kären -52 an -2 hiergestallt vun MICROMETALS; déi relativ magnetesch Permeabilitéit vu Mangan-Zinkferrit ass vill méi héich wéi déi vu pulveriséierte Eisenkären an ass saturéiert.

3

Figur 3. BH Kurve vu Mangan-Zinkferrit an Eisenpulverkäre vu verschiddene Materialien

Zesummegefaasst sinn d'Sättigungseigenschaften vum Eisenkär ënnerschiddlech; wann d'Sättigungsstroum iwwerschratt ass, fällt d'magnetesch Permeabilitéit vum Ferritkär staark erof, während den Eisenpulverkär lues a lues erofgoe kann. Figur 4 weist d'magnetesch Permeabilitéit drop Charakteristiken vun engem Pudder Eisen Kär mat der selwechter magnetescher Permeabilitéit an engem Ferrit mat enger Loft Spalt ënner verschiddene Magnéitfeld Stäerkten. Dëst erkläert och d'Induktioun vum Ferritkär, well d'Permeabilitéit schaarf fällt wann de Kär gesättegt ass, wéi aus der Equatioun (1) gesi ka ginn, et bewierkt och datt d'Induktioun staark erof geet; iwwerdeems de Pudder Kär mat verdeelt Loft Spalt, der Magnéitfeld permeability D'Taux fällt lues wann der Eisen Kär gesättegt ass, sou datt d'Induktans méi sanft reduzéiert, dat ass, et huet besser DC Viraussetzunge Charakteristiken. Bei der Uwendung vu Stroumkonverter ass dës Charakteristik ganz wichteg; wann déi lues Sättigungscharakteristik vum Induktor net gutt ass, klëmmt den Induktorstroum op d'Sättigungsstroum, an de plötzlechen Ofsenkung vun der Induktanz wäert den aktuellen Stress vum Schaltkristall staark eropgoen, wat einfach Schued verursaache kann.

4

Figur 4. Magnéitfeld permeability Lëscht Charakteristiken vun Pudder Eisen Kär an ferrite Eisen Kär mat Loft Spalt ënner verschiddene Magnéitfeld Kraaft.

Induktor elektresch Charakteristiken a Package Struktur

Wann Dir e Schaltkonverter designt an en Induktor auswielt, sinn den Induktanzwäert L, Impedanz Z, AC Resistenz ACR a Q Wäert (Qualitéitsfaktor), bewäerte Stroum IDC an ISAT, a Kärverloscht (Kärverloscht) an aner wichteg elektresch Charakteristiken all Must considéréiert ginn. Zousätzlech wäert d'Verpackungsstruktur vum Induktor d'Gréisst vum magnetesche Leckage beaflossen, wat am Tour EMI beaflosst. Déi folgend wäerten déi uewe genannte Charakteristiken separat diskutéieren als Iwwerleeungen fir Induktoren ze wielen.

1. Induktiounswäert (L)

Den Induktiounswäert vun engem Induktor ass dee wichtegste Basisparameter am Circuitdesign, awer et muss gepréift ginn ob den Induktanzwäert stabil ass bei der Operatiounsfrequenz. Den nominale Wäert vun der Induktioun gëtt normalerweis bei 100 kHz oder 1 MHz gemooss ouni extern DC Viraussetzung. A fir d'Méiglechkeet vun der Mass automatiséierter Produktioun ze garantéieren, ass d'Toleranz vum Induktor normalerweis ± 20% (M) an ± 30% (N). Figur 5 ass d'Induktanzfrequenz charakteristesch Grafik vum Taiyo Yuden Induktor NR4018T220M gemooss mam Wayne Kerr sengem LCR Meter. Wéi an der Figur gewisen, ass d'Induktanzwäertkurve relativ flaach virum 5 MHz, an den Induktanzwäert ka bal als konstant ugesi ginn. An der Héichfrequenzband wéinst der Resonanz generéiert vun der parasitärer Kapazitéit an der Induktioun, wäert den Induktanzwäert eropgoen. Dës Resonanzfrequenz gëtt d'Selbstresonanzfrequenz (SRF) genannt, déi normalerweis vill méi héich muss sinn wéi d'Betribsfrequenz.

5

Figur 5, Taiyo Yuden NR4018T220M Induktans-Frequenz charakteristesch Miessdiagramm

2. Impedanz (Z)

Wéi an der Figur 6 gewisen, kann d'Impedanzdiagramm och aus der Leeschtung vun der Induktioun bei verschiddene Frequenzen gesi ginn. D'Impedanz vum Induktor ass ongeféier proportional zu der Frequenz (Z = 2πfL), also wat méi héich d'Frequenz ass, wäert d'Reaktanz vill méi grouss sinn wéi d'AC Resistenz, sou datt d'Impedanz sech wéi eng reng Induktioun behält (Phas ass 90˚). Bei héijer Frequenzen, wéinst dem parasitären Kapazitéitseffekt, kann de Selbstresonanzfrequenzpunkt vun der Impedanz gesi ginn. No dësem Punkt fällt d'Impedanz a gëtt kapazitiv, an d'Phas ännert sech lues a lues op -90 ˚.

6

3. Q Wäert an AC Resistenz (ACR)

De Q Wäert an der Definitioun vun der Induktioun ass de Verhältnis vun der Reaktanz zu der Resistenz, dat heescht de Verhältnis vum imaginären Deel zum realen Deel vun der Impedanz, wéi an der Formel (2).

(2)

Wou XL d'Reaktanz vum Induktor ass, an RL d'AC Resistenz vum Induktor ass.

Am nidderegen Frequenzbereich ass den AC Resistenz méi grouss wéi d'Reaktanz verursaacht duerch d'Induktioun, sou datt säi Q Wäert ganz niddereg ass; wéi d'Frequenz eropgeet, gëtt d'Reaktanz (ongeféier 2πfL) méi grouss a méi grouss, och wann d'Resistenz duerch Hauteffekt (Hauteffekt) a Proximitéit (Proximitéit) Effekt) Den Effekt gëtt ëmmer méi grouss, an de Q-Wäert geet ëmmer nach mat der Frequenz erop ; wann Dir op SRF kënnt, gëtt d'induktiv Reaktanz graduell vun der kapazitiver Reaktanz kompenséiert, an de Q Wäert gëtt lues a lues méi kleng; wann de SRF null gëtt, well d'induktiv Reaktanz an d'kapazitiv Reaktanz komplett d'selwecht sinn Verschwannen. Figur 7 weist d'Relatioun tëscht Q Wäert an Frequenz vun NR4018T220M, an der Relatioun ass an der Form vun engem ëmgedréint Bell.

7

Figur 7. D'Relatioun tëscht Q Wäert an Frequenz vun Taiyo Yuden inductor NR4018T220M

An der Applikatioun Frequenz Band vun inductance, der méi héich de Q Wäert, der besser; et heescht datt seng Reaktanz vill méi grouss ass wéi d'AC Resistenz. Allgemeng ass de beschte Q Wäert iwwer 40, dat heescht datt d'Qualitéit vum Induktor gutt ass. Wéi och ëmmer, allgemeng wéi d'DC Bias eropgeet, wäert den Induktiounswäert erofgoen an de Q Wäert wäert och erofgoen. Wann flaach enameled Drot oder Multi-Sträng enameled Drot benotzt gëtt, kann den Haut Effekt, dat heescht AC Resistenz reduzéiert ginn, an de Q Wäert vun der inductor kann och erhéicht ginn.

D'DC Resistenz DCR gëtt allgemeng als DC Resistenz vum Kupferdrot ugesinn, an d'Resistenz kann no dem Drot Duerchmiesser a Längt berechent ginn. Wéi och ëmmer, déi meescht vun den nidderegen aktuellen SMD-Induktoren benotze Ultraschallschweißen fir d'Kupferplack vun der SMD am Windende Terminal ze maachen. Wéi och ëmmer, well de Kupferdrot net laang an der Längt ass an de Resistenzwäert net héich ass, stellt d'Schweißresistenz dacks e groussen Undeel vun der Gesamt DC Resistenz aus. Huelt den TDK's Drot-gewonnen SMD-Induktor CLF6045NIT-1R5N als Beispill, de gemoossene DC-Resistenz ass 14.6mΩ, an d'DC-Resistenz berechent op Basis vum Drot Duerchmiesser a Längt ass 12.1mΩ. D'Resultater weisen datt dës Schweessresistenz ongeféier 17% vun der Gesamt DC Resistenz ausmécht.

AC Resistenz ACR huet Haut Effekt an Proximitéit Effekt, déi Ursaach ACR mat Frequenz Erhéijung; bei der Uwendung vun der allgemenger Induktioun, well den AC Komponent vill méi niddereg ass wéi den DC Komponent, ass den Afloss verursaacht duerch ACR net offensichtlech; mee bei liicht Laascht, Well d'DC Komponent reduzéiert ass, kann de Verloscht vun ACR net ignoréiert ginn. Den Hauteffekt bedeit datt ënner AC Bedéngungen d'Stroumverdeelung am Dirigent ongläich ass an op der Uewerfläch vum Drot konzentréiert ass, wat zu enger Reduktioun vum gläichwäertege Drot Querschnittsgebitt resultéiert, wat am Tour d'gläichwäerteg Resistenz vum Drot erhéicht mat Frequenz. Zousätzlech, an engem Drot Wicklung, angrenzend Drot verursaachen d'Additioun an d'Subtraktioun vu magnetesche Felder wéinst dem Stroum, sou datt de Stroum op der Uewerfläch nieft dem Drot konzentréiert ass (oder déi wäitste Uewerfläch, jee no der Richtung vum Stroum). ), wat och gläichwäerteg Drot-Interceptioun verursaacht. De Phänomen datt d'Gebitt erofgeet an déi gläichwäerteg Resistenz eropgeet ass de sougenannte Proximitéitseffekt; an der Induktanzapplikatioun vun enger Multilayer Wicklung ass de Proximitéitseffekt nach méi offensichtlech.

8

Figur 8 weist d'Relatioun tëscht AC Resistenz an Frequenz vun der Drot-wëll SMD inductor NR4018T220M. Bei enger Frequenz vun 1kHz ass d'Resistenz ongeféier 360mΩ; bei 100kHz klëmmt d'Resistenz op 775mΩ; bei 10MHz ass de Resistenzwäert no bei 160Ω. Wann Dir de Kupferverloscht schätzt, muss d'Berechnung den ACR berücksichtegen, deen duerch d'Haut an d'Proximitéitseffekter verursaacht gëtt, an et op d'Formel (3) änneren.

4. Sättigungsstroum (ISAT)

Sättigungsstroum ISAT ass allgemeng de Biasstroum markéiert wann den Induktanzwäert ofgeschwächt ass wéi 10%, 30% oder 40%. Fir Loftspaltferrit, well seng Sättigungsstroumcharakteristik ganz séier ass, gëtt et net vill Ënnerscheed tëscht 10% an 40%. Referéiert op Figur 4. Wann et awer en Eisenpulverkär ass (wéi e gestempelt Induktor), ass d'Sättigungskurve relativ sanft, wéi an der Figur 9 gewisen, ass de Biasstroum bei 10% oder 40% vun der Induktanzattenuatioun vill anescht, sou datt de Sättigungsstroumwäert getrennt fir déi zwou Aarte vun Eisenkäre diskutéiert gëtt wéi follegt.

Fir e Loftspaltferrit ass et raisonnabel ISAT als iewescht Limit vum maximalen Induktorstroum fir Circuitapplikatiounen ze benotzen. Wéi och ëmmer, wann et en Eisenpulverkär ass, wéinst der lueser Sättigungscharakteristik, gëtt et kee Problem och wann de maximale Stroum vum Applikatiounskrees ISAT iwwerschreift. Dofir ass dës Eisenkärcharakteristik am meeschte gëeegent fir Konverterapplikatiounen ze wiesselen. Ënner schwéier Laascht, obwuel d'Induktanzwäert vum Induktor niddereg ass, wéi an der Figur 9 gewisen, ass den aktuellen Ripplefaktor héich, awer déi aktuell Kondensatorstroumtoleranz ass héich, also wäert et kee Problem sinn. Ënner liicht Belaaschtung ass den Induktiounswäert vum Induktor méi grouss, wat hëlleft de Ripplestroum vum Induktor ze reduzéieren an doduerch den Eisenverloscht ze reduzéieren. Figur 9 vergläicht d'Sättigungsstroumkurve vum TDK's Woundferrit SLF7055T1R5N a gestempelt Eisenpulverkärinduktor SPM6530T1R5M ënner dem selwechte Nominalwäert vun der Induktioun.

9

Figur 9. Sättigungsstroumkurve vu Woundferrit a gestempelt Eisenpulverkär ënner dem selwechte Nominalwäert vun der Induktioun

5. Bewäert Stroum (IDC)

Den IDC Wäert ass d'DC Bias wann d'Induktortemperatur op Tr˚C eropgeet. D'Spezifikatioune weisen och säin DC Resistenzwäert RDC bei 20˚C un. Geméiss dem Temperaturkoeffizient vum Kupferdraht ass ongeféier 3.930 ppm, wann d'Temperatur vum Tr eropgeet, ass säi Resistenzwäert RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr), a säi Stroumverbrauch ass PCU = I2DCxRDC. Dëse Kupferverloscht gëtt op der Uewerfläch vum Induktor opgeléist, an d'thermesch Resistenz ΘTH vum Induktor kann berechent ginn:

(2)

Tabell 2 bezitt sech op d'Dateblatt vun der TDK VLS6045EX Serie (6.0 × 6.0 × 4.5 mm), a berechent d'thermesch Resistenz bei enger Temperaturerhéijung vu 40˚C. Natierlech, fir inductors vun der selwechter Serie a Gréisst, ass déi berechent thermesch Resistenz bal déi selwecht wéinst der selwechter Uewerfläch Hëtzt dissipation Beräich; an anere Wierder, de bewäerten aktuellen IDC vu verschiddene Induktoren ka geschat ginn. Verschidde Serien (Packagen) vun Induktoren hunn verschidden thermesch Resistenz. Dësch 3 vergläicht d'thermesch Resistenz vun inductors vun TDK VLS6045EX Serie (semi-shielded) an SPM6530 Serie (geformt). Wat méi grouss d'thermesch Resistenz ass, wat méi héich d'Temperaturerhéijung generéiert wann d'Induktanz duerch de Laaschtstroum fléisst; soss, déi ënnescht.

(2)

Table 2. Thermesch Resistenz vu VLS6045EX Serie Induktoren bei enger Temperaturerhéijung vu 40˚C

Et kann aus der Tabell 3 gesi ginn datt och wann d'Gréisst vun den Induktoren ähnlech ass, ass d'thermesch Resistenz vun de gestempelte Induktoren niddereg, dat heescht d'Hëtztvergëftung ass besser.

(3)

Dësch 3. Verglach vun thermesch Resistenz vun verschiddene Pak inductors.

6. Kär Verloscht

Kärverloscht, als Eisenverloscht bezeechent, gëtt haaptsächlech duerch Eddystroumverloscht an Hysteresisverloscht verursaacht. D'Gréisst vum Wirbelstroumverloscht hänkt haaptsächlech dovun of, ob d'Kärmaterial einfach ze "dirigent" ass; wann d'Konduktivitéit héich ass, dat heescht, d'Resistivitéit ass niddereg, den Eddystroumverloscht ass héich, a wann d'Resistivitéit vum Ferrit héich ass, ass den Eddystroumverloscht relativ niddereg. Eddy aktuell Verloscht ass och mat Frequenz Zesummenhang. Wat méi héich d'Frequenz ass, dest méi grouss ass den Eddystroumverloscht. Dofir wäert d'Kärmaterial déi richteg Operatiounsfrequenz vum Kär bestëmmen. Allgemeng kann d'Aarbechtsfrequenz vum Eisenpulverkär 1MHz erreechen, an d'Aarbechtsfrequenz vum Ferrit kann 10MHz erreechen. Wann d'Betribsfrequenz dës Frequenz iwwerschreift, wäert den Eddystroumverloscht séier eropgoen an d'Eisenkärtemperatur wäert och eropgoen. Wéi och ëmmer, mat der rapider Entwécklung vun Eisenkärmaterialien, sollten Eisenkäre mat méi héije Betribsfrequenzen just ronderëm den Eck sinn.

En aneren Eisenverloscht ass den Hysteresisverloscht, deen proportional zum Gebitt ass, dat vun der Hysteresiskurve zougemaach ass, wat mat der Schwéngungsamplitude vun der AC-Komponente vum Stroum verbonnen ass; der Groussregioun AC Schwong, der Groussregioun der Hysteresis Verloscht.

Am gläichwäertege Circuit vun engem Induktor gëtt e Widderstand parallel mam Induktor verbonnen dacks benotzt fir den Eisenverloscht auszedrécken. Wann d'Frequenz dem SRF gläich ass, annuléieren d'induktiv Reaktanz an d'kapazitiv Reaktanz aus, an déi gläichwäerteg Reaktanz ass null. Zu dëser Zäit ass d'Impedanz vum Induktor gläichwäerteg mat der Eisenverloschtresistenz a Serie mat der Wicklungsresistenz, an d'Eisenverloschtresistenz ass vill méi grouss wéi d'Wicklungsresistenz, sou datt d'Impedanz bei SRF ongeféier d'selwecht ass wéi d'Eisenverloschtresistenz. Huelt en Nidderspannungsinduktor als Beispill, seng Eisenverloschtresistenz ass ongeféier 20kΩ. Wann déi effektiv Wäertspannung op béide Enden vum Induktor op 5V geschat gëtt, ass säin Eisenverloscht ongeféier 1.25mW, wat och weist datt wat méi grouss d'Eisenverloschtresistenz ass, desto besser.

7. Schëld Struktur

D'Verpakungsstruktur vu Ferrit-Induktoren enthält net-geschirmt, semi-geschützt mat magnetesche Klebstoff, a geschützt, an et gëtt e bedeitende Loftlück an entweder vun hinnen. Natierlech wäert d'Loftspalt magnetesch Leckage hunn, an am schlëmmste Fall wäert et d'Ëmgéigend kleng Signalkreesser stéieren, oder wann et e magnetescht Material an der Géigend ass, gëtt seng Induktioun och geännert. Eng aner Verpackungsstruktur ass e gestempelt Eisenpulverinduktor. Zënter datt et kee Spalt am Induktor ass an d'Wicklungsstruktur zolidd ass, ass de Problem vun der Magnéitfelddissipatioun relativ kleng. Figur 10 ass d'Benotzung vun der FFT Funktioun vum RTO 1004 Oszilloskop fir d'Gréisst vum Leckmagnéitfeld op 3mm uewen an op der Säit vum gestempeltem Induktor ze moossen. Tabell 4 lëscht de Verglach vum Leckmagnéitfeld vu verschiddene Package Struktur Induktoren. Et kann gesi ginn datt net geschützte Induktoren déi seriöste magnetesch Auslafe hunn; gestempelt Induktoren hunn déi klengst magnetesch Leckage, déi de beschte magnetesche Schirmeffekt weisen. . Den Ënnerscheed an der Gréisst vum Leckmagnéitfeld vun den Induktoren vun dësen zwee Strukturen ass ongeféier 14dB, wat bal 5 Mol ass.

10

Figur 10. D'Gréisst vum Leckmagnéitfeld gemooss op 3mm uewen an op der Säit vum gestempeltem Induktor

(4)

Dësch 4. Verglach vun der Auslafe Magnéitfeld vun verschiddene Pak Struktur inductors

8. Kopplung

An e puer Uwendungen, heiansdo ginn et Multiple Sätze vun DC Converter op der PCB, déi normalerweis nieftenee arrangéiert sinn, an hir entspriechend Induktoren sinn och niewentenee arrangéiert. Wann Dir en net-geschirmt oder semi-geschützt Typ mat magnetesche Klebstoff benotzt, kënnen Induktoren matenee gekoppelt ginn fir EMI-Interferenz ze bilden. Dofir, wann Dir den Induktor placéiert, ass et recommandéiert d'Polaritéit vum Induktor als éischt ze markéieren an den Start- a Wickpunkt vun der banneschten Schicht vum Induktor mat der Schaltspannung vum Konverter ze verbannen, sou wéi de VSW vun engem Buck-Konverter, deen de bewegende Punkt ass. Den Outletterminal ass mam Ausgangskondensator verbonnen, wat de statesche Punkt ass; d'Kupferdrahtwindung bildt also e gewësse Grad vun elektresche Feldschirmung. An der Verkabelungsarrangement vum Multiplexer, d'Befestegung vun der Polaritéit vun der Induktioun hëlleft d'Gréisst vun der géigesäiteger Induktioun ze fixéieren an e puer onerwaart EMI Probleemer ze vermeiden.

Uwendungen:

D'virdrun Kapitel diskutéiert de Kär Material, Pak Struktur, a wichteg elektresch Charakteristiken vun der inductor. Dëst Kapitel wäert erklären wéi de passenden inductance Wäert vun der Buck Converter ze wielen an d'Iwwerleeunge fir eng kommerziell sinn inductor auswielen.

Wéi an der Equatioun (5) gewisen, beaflossen den Induktorwäert an d'Schaltfrequenz vum Konverter den Induktor-Ripplestroum (ΔiL). Den Induktor-Ripplestroum fléisst duerch den Ausgangskondensator an beaflosst den Ripplestroum vum Ausgangskondensator. Dofir wäert et d'Auswiel vum Ausgangskondensator beaflossen a weider d'Ripple Gréisst vun der Ausgangsspannung beaflossen. Ausserdeem beaflossen den Induktanzwäert an den Ausgangskapazitanzwäert och de Feedback-Design vum System an déi dynamesch Äntwert vun der Belaaschtung. Wann Dir e méi groussen Induktiounswäert wielt, huet manner Stroumspannung op de Kondensator, an ass och gutt fir d'Ausgangsspannungsripple ze reduzéieren a méi Energie ze späicheren. Wéi och ëmmer, e méi groussen Induktiounswäert beweist e méi grousst Volumen, dat heescht méi héich Käschten. Dofir, wann Dir den Konverter designt, ass den Design vum Induktiounswäert ganz wichteg.

(5)

Et kann aus der Formel (5) gesi ginn datt wann de Spalt tëscht der Inputspannung an der Ausgangsspannung méi grouss ass, wäert den Induktor-Ripplestroum méi grouss sinn, wat de schlëmmste Fall Zoustand vum Induktordesign ass. Gekoppelt mat aneren induktiven Analyse, soll den Induktanzentwurfpunkt vum Step-Down-Konverter normalerweis ënner de Konditioune vu maximaler Inputspannung a Volllast ausgewielt ginn.

Wann Dir den Induktiounswäert designt, ass et néideg en Ofwiesselung tëscht dem Induktor-Ripplestroum an der Induktorgréisst ze maachen, an de Ripplestroumfaktor (Ripplestroumfaktor; γ) gëtt hei definéiert, wéi an der Formel (6).

(6)

Ersetzen d'Formel (6) an d'Formel (5), kann den Induktanzwäert als Formel (7) ausgedréckt ginn.

(7)

No der Formel (7), wann den Ënnerscheed tëscht der Input an der Ausgangsspannung méi grouss ass, kann de γ Wäert méi grouss ausgewielt ginn; am Géigendeel, wann d'Input an d'Ausgangsspannung méi no sinn, muss de γ Wäert Design méi kleng sinn. Fir tëscht dem Induktor-Ripplestroum an der Gréisst ze wielen, laut dem traditionellen Designerfahrungswäert, ass γ normalerweis 0,2 bis 0,5. Déi folgend hëlt RT7276 als Beispill fir d'Berechnung vun der Induktioun an d'Auswiel vu kommerziell verfügbaren Induktoren ze illustréieren.

Design Beispill: Entworf mat RT7276 fortgeschratt Konstant On-Time (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) Synchrone Rectification Step-Down Konverter, seng Schaltfrequenz ass 700 kHz, d'Input Volt ass 4.5V bis 18V, an d'Ausgangsspannung ass 1.05V . De Volllaststroum ass 3A. Wéi uewen erwähnt, muss den Induktiounswäert ënner de Bedéngungen vun der maximaler Inputspannung vun 18V an der voller Belaaschtung vun 3A entworf ginn, de Wäert vun γ gëtt als 0,35 geholl, an den uewe genannte Wäert gëtt an d'Gleichung (7) ersat, d'Induktioun. Wäert ass

Benotzt en Induktor mat engem konventionellen nominalen Induktiounswäert vun 1,5 µH. Ersatzformel (5) fir den Induktor-Ripplestroum wéi follegt ze berechnen.

Dofir ass de Peakstroum vum Induktor

An den effektive Wäert vum Induktorstroum (IRMS) ass

Well den Induktor-Ripple-Komponent kleng ass, ass den effektive Wäert vum Induktorstroum haaptsächlech seng DC Komponent, an dësen effektive Wäert gëtt als Basis benotzt fir den Induktor bewäerten aktuellen IDC ze wielen. Mat 80% Derating (Derating) Design, sinn d'Induktanzfuerderunge:

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

Tabell 5 lëscht déi verfügbar Induktoren vu verschiddene Serien vun TDK, ähnlech a Gréisst awer anescht a Packagestruktur. Et kann aus der Tabell gesi ginn datt d'Sättigungsstroum an d'Bewäertungsstroum vum geprägte Induktor (SPM6530T-1R5M) grouss sinn, an d'thermesch Resistenz ass kleng an d'Hëtztvergëftung ass gutt. Zousätzlech, laut der Diskussioun am viregten Kapitel, ass d'Kärmaterial vum geprägte Induktor Eisenpulverkär, sou datt et mam Ferritkär vun den semi-geschützten (VLS6045EX-1R5N) a geschützten (SLF7055T-1R5N) Induktoren verglach gëtt. mat magnetesche Klebstoff. , Huet gutt DC Bias Charakteristiken. Figur 11 weist d'Effizienzverglach vu verschiddene Induktoren, déi op den RT7276 fortgeschratt konstante on-time Synchrone Rectification Step-Down Converter applizéiert ginn. D'Resultater weisen datt den Effizienz Ënnerscheed tëscht deenen dräi net bedeitend ass. Wann Dir Wärmevergëftung, DC Biascharakteristiken a Magnéitfeldvergëftungsprobleemer berücksichtegt, ass et recommandéiert SPM6530T-1R5M Induktoren ze benotzen.

(5)

Dësch 5. Verglach vun inductances vun verschidden Serie vun TDK

11

Figur 11. Verglach vun Converter Effizienz mat verschiddene inductors

Wann Dir déiselwecht Packagestruktur an Induktanzwäert wielt, awer méi kleng Induktoren, wéi SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5mm), obwuel seng Gréisst kleng ass, awer d'DC Resistenz RDC (44.5mΩ) an d'thermesch Resistenz ΘTH ( 51˚C) /W) Méi grouss. Fir Konverter mat de selwechte Spezifikatioune ass den effektiven Wäert vum Stroum, deen vum Induktor toleréiert gëtt, och d'selwecht. Natierlech wäert d'DC Resistenz d'Effizienz ënner schwéierer Belaaschtung reduzéieren. Zousätzlech bedeit eng grouss thermesch Resistenz eng schlecht Wärmevergëftung. Dofir, wann Dir en Induktor auswielt, ass et net nëmmen néideg fir d'Virdeeler vun enger reduzéierter Gréisst ze berücksichtegen, awer och fir seng begleedend Mängel ze evaluéieren.

Als Conclusioun

Induktioun ass eng vun den allgemeng benotzte passive Komponenten am Schaltkraaftkonverter, déi fir Energielagerung a Filteren benotzt kënne ginn. Wéi och ëmmer, am Circuitdesign ass et net nëmmen den Induktanzwäert op dee muss opmierksam gemaach ginn, awer aner Parameteren abegraff AC Resistenz a Q Wäert, aktuell Toleranz, Eisenkär Sättigung, a Package Struktur, etc., sinn all Parameteren déi musse berücksichtegt ginn wann Dir en Induktor wielt. . Dës Parameteren si meeschtens mat dem Kärmaterial, dem Fabrikatiounsprozess, an der Gréisst a Käschten verbonnen. Dofir gëtt dësen Artikel d'Charakteristike vu verschiddene Eisenkärmaterialien vir a wéi Dir eng passend Induktioun als Referenz fir Energieversuergungsdesign auswielen.