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来自工程师的声音

最适合开关电源的电容器与电感

电源电路的探讨事项

电感篇 -其3-

关键词
  • 直流叠加容许电流
  • 温度上升容许电流
  • 饱和容许电流

-此前请您介绍了电感的规格与特性特征。接下来请您介绍一下这些特性对电源电路有怎样的影响。

好的。首先,先介绍一下作为重要特性而说明的直流叠加容许电流和温度上升容许电流,与降压转换器的输出电流是什么关系。请看下图。

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直流叠加容许电流也被称为饱和容许电流。即波形图中蓝色线所示的电感的峰值电流。此前提过几次,当峰值电流超过直流叠加容许电流的最大值时,电感产生磁饱和,电感值减少。电感如果饱和,电感的峰值电流异常变大,导致效率下降或异常工作,甚至可能致使电源IC被破坏。

温度上升容许电流也可以说是流经电感的电流和电阻成分带来的发热的容许值。在波形图中,红色所示的输出DC电流与粉色所示的三角波实效电流的合计即为温度上升容许电流。乘以电感的电阻量即为损耗功率,体现为发热。顺便提一下,三角波实效电流为峰值电流的1/√3,这部分成为AC损耗。当流过比温度上升容许电流大的电流时,发热增加,可能不仅使电感的可靠性下降,还使外围元器件的可靠性下降。另外,达到无法容许的发热水平时,可能引起线缆的绝缘不良,导致烧损。

-能请您再稍微具体介绍一下峰值电流超过直流叠加容许电流值时的现象吗?

有实际的波形数据,请看这个图。

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这是使用三种特性不同的电感的降压型转换器数据。左上为相对于输出电流的效率,从图中可知,负载为500mA时没有什么差别,但1500mA时蓝色的电感效率比其他的要低。

左下的波形为相对于输出电流的电感值变化,蓝色电感的电感值在负载超过1000mA时急剧下降。也就是说该电感达到饱和状态。

右侧为电感电流的波形。右上为负载500mA时效率没有什么差异的状态下的波形,波形无特殊差异,正常。

右下为负载1500mA时的波形,饱和的蓝色电感的波形波动明显,峰值电流也增加。这是饱和导致电感值下降,从而导致峰值电流增加,进而电感值进一步下降,进一步流过电流的失控状态。

-也就是说,当出现因负载电流增加导致效率低于预期的症状时,确认电感电流的波形也是方法之一吧。

基本上在DC/DC转换器的评估阶段这是必须的确认项目,当观察到类似这样的波形异常时,或峰值电流明显超出计算值时,可以怀疑电感的饱和。顺便说一下,前面提到的鼓套型电感会急剧饱和,因此具有容易失控的性质,而树脂型电感的饱和相对缓和,可以说不易引起失控。

-明白了。接下来是有关温度上升容许电流的,能请您详细介绍一下电感损耗吗?

刚才探讨了输出电流的DC电流与电感AC电流的实效电流、以及电感的电阻。基本上就是如前所述,应该考虑AC电流的AC损耗与DC电流的DC损耗两方面,但电感的DC电阻Rdc与AC电阻Rac不同,需要同时考虑到Rac是因频率而变动的。

该图表示某电感的电阻及阻抗与频率的关系。绿线为电阻。Rdc是频率为零时的值。与之相比,Rac随频率提高而增加,一般开关稳压器的开关频段–几百kHz到几兆Hz的Rac为Rdc的几倍到几十倍。

-也就是说,AC损耗即使电流较小也可产生较大损耗对吧。而开关频率高时更是这样吧。

的确如此。负载电流的大小不同,损耗的主体也有很大不同。看图更容易理解。

电感的损耗功率如上述公式所示,为DC损耗功率+AC损耗功率。首先看负载较轻状态,输出电流小因此DC损耗少,AC成分占主导因而AC损耗占主导地位。相反,负载较重的状态,即输出电流较大的状态下,DC电流占主导。

另外,请看下面的数据。这是相同DC/DC转换器电路,使用电感值相同但结构、尺寸、及容许电流不同的电感时的负载-效率特性比较,以及各电感的Rac频率特性。

在负载较大的区域,电感的Rdc带来的DC损耗占主导地位。而在轻负载区域,Rac带来的AC损耗占主导地位。在此希望大家关注的是,根据电感的种类,Rdc、Rac均有波动,尤其Rac的波动较大。

从效率图可以读取到的是,轻负载时的效率差较大,因而Rac差较大。此外,从Rac图可知,Rac本身存在相当大的波动。纵轴为对数,因此粉色线电感与蓝色线电感相差几倍。

-通过您的介绍我明白了AC损耗在低负载时占主导地位,不同电感种类的波动较大,这会产生什么问题吗?

例如,像智能手机一样待机状态较长的设备,其工作时间多为待机状态,负载电流即DC电流非常小。也就是说,AC损耗处于主导状态,电流尽管微小,但也产生相应的损耗。那么这类设备如果使用Rac较大的电感会怎样呢?

-待机时间变短,电池的寿命可能会受影响。

是啊!电源是电池,因此应该先降低待机时的损耗。如果设计人员不了解电感的这些特性而选用了Rac较大的电感,则电池驱动的便携设备可能无法实现预期的工作时间。待机状态较长的电池设备,Rac小这一点是非常重要的。

-也就是说电感选型时,不仅仅关注电感损耗导致的发热,还要了解损耗因素与特性,这是非常重要的。不过,您此前介绍的电感的规格中,出现过Rdc,但没有Rac。

绝大多数规格值表中都没有Rac这项,相关官网上也很少有提供这项数据的。需要Rac信息时,请咨询相关制造商。

最适合开关电源的电容器与电感 -其1-

最适合开关电源的电容器与电感 -其2-

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