展望优化新应用的电感器操作

日期:2019-04-07
 
正确展示现有电感器和真实数据有助于充分利用应用。
作者:Len Crane,技术营销经理,Coilcraft
为了利用宽带隙半导体等新器件,新的应用需要做什么?它们需要最好的电感器。哪种电感器最适合您的应用?回答这一问题需要对电感器进行适当的表征,这比从传统的数据表中可以方便地获得的结果还要多。那么,挑战在于如何在不必成为磁学设计专家的情况下,为您的特定应用确定最佳的电感器。幸运的是,一些电感器制造商正在加紧获取比以往更好的电感器数据,以及如何使用这些电感器的更好想法。
电感器的典型数据表规格包括直流电阻、电感公差和电感降(Isat)和自热(Irms)的电流额定值等标准额定值。这些额定值在电感器数据表上已经存在多年了,能够在一个或多个供应商的产品线之间进行比较。然而,期望这些数据表能够为所有新的应用和操作模式提供适当的信息是不合理的。相反,电感器供应商有责任提供一种方法来了解其电感器在各种特定操作条件下的性能。
也就是说,提高电感器性能的关键还在于打破旧的设计规则,即“经验法则”……尤其是将纹波电流自动限制在负载电流的特定百分比的实践。
 
成为一名磁学设计师
电感、电阻和电流额定值是常见的,可从许多制造商获得。但是,它们都有相同的限制,因为它们是相对静态的额定值,不容易包括频率的影响、交流信号大小的影响或环境因素(如温度)。那么,你如何预测电感器在一系列之前未预料到的操作条件下的行为呢?第一种方法是深入了解电感器材料和结构的细节。要完全模拟电感器的性能,必须知道线圈匝数、这些匝数的分层、导线直径以及线圈所需的线圈形状详细信息。对于磁芯,必须了解材料特性(包括磁导率、B-H特性和损耗参数),记住所有磁芯参数对温度、频率和激励都很敏感。图1显示了仅模拟一种铁氧体磁芯材料所需的典型公布的曲线。
图1:磁芯材料性能曲线
对于那些想(或必须)设计自己的定制磁铁的人来说,有必要在这些细节上投入时间。然而,好消息是,一些电感制造商正在加紧提供必要的工具,以便设计师能够找到他们需要的电感,以便对预测的性能充满信心。
 
更好方法的工具
Coilcraft的新DC-DC工具使设计师能够使用完整的电感器特性数据来识别特定应用的现成电感器,从而消除了了解每种机械和材料规格的需要,以成为“电感器内部”专家。根据测量数据预测标准电感器的性能,使设计人员能够快速做出选择,并将更多的时间花在其他设计优先事项上。
考虑为一个简单的500 kHz降压转换器寻找最佳电感的任务,要求如下:
Vin = 2.5 – 5.5 v         
Vo = 1.8 v          
Io = 2A
一个常见的方法是通过应用任意“经验法则”来计算所需的电感,将纹波电流限制为平均负载电流的30%或40%。在本例中选择40%,从L = V/(di/dt)计算出所需电感为3.25μH,峰值电感电流为2.4安培。电感要求可以在数据表上找到,如Irms、Isat和电感(L)。
电感器规格:
Irms = 2 A       
Isat = 2.4 A    
L = 3.25 H min     
Coilcraft的DC-DC电感器查找器不是搜索几十页,而是快速识别出XEL4030-332是主要器件,其规格如下。
XEL4030-332规格:
Irms 6.6 A 
Isat = 5.9 A
Lnom = 3.3 H 
 图2:“经验法则”搜索结果
 
对于效率而言,线圈的损耗可以简单地估算为Ploss = I2*DCR = 114 mW,对于3.6瓦的满负荷吞吐功率,电感效率约为97%。该电感器效率高,平均电流在电感器的Irms额定值以下:运行良好,不发热。
从简单角度来看,这可能是过程的结束。根据一组非常简单的规格,很快就找到了一个电感器。然而,我们如何知道这是最佳解决方案?我们对超出正常条件的性能了解多少?以DCR为例,可直接从Coilcraft数据表中,根据DCR = 28.6 m Max计算效率。与许多数据表参数一样,该测量是在室温下指定的,但必须根据预期的极端温度重新计算,这很容易在Coilcraft工艺工具中完成。如图3所示,当环境温度升高到125°C时,最大DCR变为39.8 m。
 图3:特定于应用的搜索结果
 
在最高温度下,电感器的电压降比室温值高出约40%,Ploss从114毫瓦上升到159毫瓦。
这个例子表明,即使是一个简单的参数,如直流电阻,也可以对应用条件很敏感。此外,由于宽带隙器件能够实现新的工作模式,并且随着电感被选择用于新的开关频率、快速开关转换和占空比,具有全特性电感的设计工具越来越有必要预测这些新应用条件的性能,而无需返回到磁芯材料图表。
Coilcraft工具中的电感器具有宽频率范围内的硬开关波形和交流励磁(纹波电流)特性,使用户能够准确预测交流损耗。在前面的例子中,Coilcraft工具显示了交流损耗约为计算的直流损耗的20%。
 
图4:500kHz时的预测交流损耗
 
使用Coilcraft工具,您可以快速检查不同操作条件下的性能。例如,正如您预期的那样,在开关频率增加4倍的情况下,在2 MHz纹波电流相同的情况下操作相同的电感器会显示出更高的交流损耗。然而,将其转化为实数也说明了根据您感兴趣的条件,实际影响可能有多小。只关注交流损耗的增加是错误的。在这种情况下,2 MHz时的交流损耗比500 kHz时的损耗大得多。但考虑一下,例如,对感应器温升的影响很小。在2 MHz时,电感器只有7摄氏度的上升,而在500 kHz时只有4摄氏度的上升,这几乎不是可测量的差异。考虑到电感器本身的最高温度额定值为165°C,它可能位于一个热开关器件旁边,高频下额外的电感器损耗肯定会被认为是微不足道的。
图5:2 MHz(4 X 500 kHz)的预测交流损耗
 
这表明,使用真实数据的适当工具有助于透视“双倍磁芯损耗”这样的可怕声音。下一个挑战是使用这些数据来帮助确定性能和大小的理想组合。
 
新思维
使用传统方法——即使使用高级过滤/查找/分析工具——您将面临一个一步一步的过程。也就是说,输入新的条件并查看可用的条件。在前面的例子中,只需将频率更改为2MHz,并计算新的电感规格。

 图6:2 MHz下的计算电感
 
然而,这种方法仍然使用相同的老经验法则。从这个过程开始,40%的纹波电流经验法则就把感应器的选择限制在一个特定的窄范围内。
Coilcraft DC-DC电感工具最近进行了计算,通过消除从假定经验法则开始的必要性,提供了新的优化水平。这个想法在概念上很简单,但效果却很好。简单地说,该工具可以为整个现成电感列表计算可能的工作参数,包括产生的纹波电流。如图7所示,通过从计算中消除40%的人为纹波电流限制,结果中包含了尺寸小于等于34%的电感器。

 图7:无40%纹波电流限制的附加解决方案选项
 
计算器能够使用1.2μH(对应不同的纹波电流)发现解决方案,而不是为40%纹波电流选择3.3μH电感器。纹波电流现在是满负荷电流的120%,相应地,峰值电流为3.2 A,而不是之前的2.47 A。电感中的损耗从145 mW增加到219 mW,虽然这是公认的大百分比增加,但实际上这仍然是反映在自加热是一个小数字。新的电感器解决方案预计将上升到39°C而不是30°C的电感器温度。考虑到第一个电感器可以节省34%的印刷电路板面积,我们预计这些效率差异对于大多数应用来说是微不足道的。
 
结论
没有工具可以确定所有应用的“最佳”解决方案,因为优先级会改变。有些应用的价值大于效率,反之亦然。有些应用优先限制峰值电流,而其他应用则更关注平均电流消耗。无限多样的应用需要一些工具,允许您确定自己的首选解决方案。最好的工具是基于真实的组件和真实的数据,允许用户设想超出“经验丰富的真实经验法则”限制的创造性解决方案。
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