如何爲DC-DC轉換器選擇電感(一)

時間:2019-07-11

  要選擇合適的電感,就需要充分了解電感性能,以及想要達到的內部電路性能是以怎樣的方式與供應商數據表中的信息相關聯的。此文爲經驗豐富的功率轉換專家和非專業人員講解電感目錄和電感的重要規格。
  介紹
  DC-DC轉換器的使用越來越普遍了。由于電子系統越來越小型化、移動化、複雜化並且越來越受歡迎,功率要求也就變得多樣化了。可用的電池電壓、要求的工作電壓、尺寸和形狀要求不斷地在改變,這就使設備設計人員需要不停地尋找新的辦法來解決功率轉換問題。産品所提出的要求往往需要通過改進性能和縮小尺寸來滿足,因此優化就變得非常重要。對于功率轉換,並非所有應用都能采用“一體適用”。例如,許多實際應用中都需要采用像圖1這樣的薄型元件。


  圖1:設計輕薄的轉換器需要使用薄形電感
  除了轉換器批量采購的市場正在增長外,許多電路設計人員現在還會自行設計DC-DC轉換電路,而非依賴電源專業公司,因而更多的電路設計人員可以自己選擇元件。基本的DC-DC轉換電路是非常成熟的技術,依然在緩慢地發展,因此專業作者可以編寫出實用的輔助設計資料,設備設計人員則可以借助這些材料設計出自己的轉換器。一些易于獲取的軟件也可以簡化這些設計的過程1。
  在確定電路拓撲後,設計的關鍵任務之一是選擇元件。很多電路設計程序可以列出所要求的元件參數值,此時設計人員要從確定所需的電感值開始,最終從可用範圍中選擇一種元件來執行工作。用于DC-DC轉換器的電感有各種各樣的形狀和尺寸,圖2和圖3所示爲其中的兩種。爲了對比不同的類型並選擇對具體應用而言合適的元件,設計人員必須正確地理解爲這些電感公布的規格。


  圖2:用扁平線繞制的E形鐵芯電感


  圖3:采用堅固結構的磁屏蔽型模壓電感,用于高密度電路
  DC-DC轉換器要求
  簡而言之,DC-DC轉換器的功能就是在給定的輸入電壓下提供穩定的直流輸出電壓。要在不超出給定的負載電流範圍和/或輸入電壓範圍的前提下調節直流輸出電壓,通常都需要使用轉換器。理想情況下,直流輸出是“純淨”的,即紋波電流或紋波電壓控制在規定水平之內。此外,將功率從電源傳輸到負載的過程也必須實現規定的效率級別。要實現這些目標,功率電感的選擇是一個重要的步驟。
  功率電感參數
  電感性能可以用幾個數字來說明。表1一份典型的電感數據表,這些數據描述了一個用于DC-DC轉換器中的表面貼裝功率電感。


  表1:典型電感目錄的摘錄2
  a、電感值在1MHz、0.1Vrms下測得
  b、Isat爲電感值下降30%時的典型值
  c、Irms爲引起40℃溫升時的典型值
  d、所有參數均在25℃下測得
  定義
  L—電感值:電感的主要功能參數,通過轉換器設計公式計算得出,用以確定電感處理輸出功率和控制紋波電流的能力。
  DCR—直流電阻:元件的電阻,取決于所使用的繞線銅線的長度和直徑。
  SRF—自諧頻率:電感線圈的電感值與其分布電容産生共振的頻率點。
  Isat—飽和電流:通過電感時導致鐵芯飽和,致使電感值下降的電流。
  Irms—均方根電流:連續地通過電感,引起允許的最大溫升的電流。
  要正確地使用額定值就必須理解它們是如何得來的。由于數據表不可能顯示所有工作條件下的性能,因而就有必要了解額定值在不同的工作條件下是如何變化的。
  電感值(L)
  電感值是實現所需電路功能的主要參數,也是大多數設計過程中第一個要計算的參數。該值是以提供一定的最小能量存儲量(或伏特-微秒容量)並減少輸出電流紋波爲標准來計算的。如果使用的電感值小于計算結果,會增加直流輸出的交流紋波。使用太大或太小的電感值都可能迫使轉換器在連續與非連續運行模式之間變化。
  公差
  大多數DC-DC轉換器的應用對電感公差沒有特別嚴格的要求。對于大多數元件來說,選擇標准公差的産品合乎成本效益,並且能夠滿足絕大多數轉換器的要求。表1的電感公差爲±20%,該公差適用于大多數轉換器。

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