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如何選擇低功耗電源的電感

瀏覽次數:3970次 發(fā)布日期:2017-12-27

超低功率或者超高功率開(kāi)關(guān)電源|穩壓器的電感,并不象一般開(kāi)關(guān)電源那樣容易選擇。目前常規的電感都是為一些主流設計所制造,并不能很好地滿(mǎn)足一些特殊設計。本文主要討論超低功率、超高效率Buck電路的電感選擇問(wèn)題。典型應用實(shí)例就是小體積電池長(cháng)時(shí)間供電設備。在這種電路中,讓工程師感到棘手的問(wèn)題主要是電池容量(成本與體積)與Buck電路體積、效率之間的矛盾。為了減小開(kāi)關(guān)電源的體積,最好選擇盡可能高的開(kāi)關(guān)頻率。但是開(kāi)關(guān)損耗以及輸出電感的損耗會(huì )隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的提高而增大,而且很有可能成為影響效率的主要因素,正是這些矛盾大大提高了電路設計的難度。
Buck電路的電感要求

對工程師而言,鐵磁性元件(電感)可能是最早接觸的非線(xiàn)性器件。但是根據制造商提供的數據,很難預測電感在高頻時(shí)的損耗。因為制造商通常只提供諸如開(kāi)路電感、工作電流、飽和電流、直流電阻以及自激頻率等參數。對于大部分開(kāi)關(guān)電源設計來(lái)說(shuō),這些參數已經(jīng)足夠了,并且根據這些參數選擇合適的電感也非常容易。但是,對于超低電流、超高頻率開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),電感磁芯的非線(xiàn)性參數對頻率非常敏感,其次,頻率也決定了線(xiàn)圈損耗。

對于普通開(kāi)關(guān)電源,相對于直流I2R損耗來(lái)說(shuō),磁芯損耗幾乎可以忽略不計。所以通常情況下,除了“自激頻率“這個(gè)與頻率有關(guān)的參數外,電感幾乎沒(méi)有其他與頻率相關(guān)的參數。但是,對于超低功率、超高頻率系統(電池供電設備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線(xiàn)圈損耗)通常會(huì )遠遠大于直流損耗。

線(xiàn)圈損耗包括直流I2R損耗和交流損耗。其中,交流損耗主要是由于趨膚效應和鄰近效應所導致。趨膚效應是指隨著(zhù)頻率的提高移動(dòng)的電荷越來(lái)越趨于導體表面流動(dòng),相當于減小了導體導電的橫截面積,提高了交流阻抗。比如:在2MHz頻率,導體導電深度(從導體表面垂直向下)大概只有0.00464厘米。這就導致電流密度降低到原來(lái)的1/e (大概0.37)。鄰近效應是指電流在電感相鄰導線(xiàn)所產(chǎn)生的磁場(chǎng)會(huì )互相影響,從而導致所謂的“擁擠電流”,也會(huì )提高交流阻抗。對于趨膚效應,可以通過(guò)多芯電線(xiàn)(同一根導線(xiàn)內含多根細導線(xiàn))適度緩解。對于那些交流電流紋波遠小于直流電流的電路,多芯電線(xiàn)可以有效降低電感的總損耗。

磁芯損耗主要是由于磁滯現象以及磁芯內部傳導率或其他非線(xiàn)性參數的互感產(chǎn)生。在Buck拓撲結構中,第一象限的B-H磁滯回線(xiàn)對磁芯損耗影響最大。在第一象限這個(gè)局部圖中,磁滯回線(xiàn)顯示了電感從初始電感量過(guò)渡到峰值電感量再回到初始電感量的過(guò)程。如果開(kāi)關(guān)電源穩定工作在不連續狀態(tài),磁滯回線(xiàn)會(huì )從剩余電感量(Br)過(guò)渡到峰值電感量(參考圖1)。如果開(kāi)關(guān)電源工作在連續狀態(tài),那么磁滯回線(xiàn)將會(huì )從直流偏置點(diǎn)上升到曲線(xiàn)峰值,再回到直流偏置點(diǎn)。通過(guò)實(shí)驗可以確定磁滯回線(xiàn)的精確曲線(xiàn)形狀(基本上是橢圓曲線(xiàn))。
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