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    2019-4-21 13:32
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    正激变换器的分析与设计(一)
    正激变换器的分析与设计 ( 一 ) 正激是一个带变压器隔离的 BUCK ,因此研究 BUCK 如何工作类似于研究正激如何工作。 我们都知道 BUCK 是降压电路,尤其使用在极低电压输出的场合,例如 1.2V,3.3V 输出等场合,因为它可以避免 LDO 在这些低压运用场合的功率浪费。另外 BUCK 有着极高的效率,一般能做到 90% 。 下图是 BUCK 典型线路图: 那么如何分析 BUCK 线路呢? 1) 把它拆解为 “ ON ”和“ OFF ”线路 2) 针对电感电压的变化列出等式 3) 根据伏秒平衡写出传递方程 稳态分析条件下,电感两端电压平均值需为 0 。 当 switch ON 的时候,等效电路图如下,根据 KVL 定律,可以推导出 ON 时电感两端的电压: 当 switch OFF 的时候,等效电路图如下,根据 KVL 定律,可以推导出 OFF 时电感两端的电压: 了解了 switch ON 和 OFF 两种状态下电感电压,就可以根据伏秒平衡或者电感电压在 steady state 的电压平均值为 0 做出以下方程( ON 的面积需等于 OFF 的面积): 双管正激 了解了 BUCK 伏秒平衡后,下面我们来了解一下双管正激。 双管正激较单管正激的好处是,管子的耐压可以比单管时降低一倍,可以选用更低耐压的 MOS ,这无疑是有利于器件选型的。 类似于 BUCK 线路分析,双管正激分析如下: 当 switches ON 的时候,等效电路图如下,根据 KVL 定律,可以推导出 ON 时电感两端的电压: 当 switches OFF 的时候,等效电路图如下,根据 KVL 定律,可以推导出 OFF 时电感两端的电压: 了解了 switch ON 和 OFF 两种状态下电感电压,就可以根据伏秒平衡或者电感电压在 steady state 的电压平均值为 0 做出以下方程( ON 的面积需等于 OFF 的面积): D3,D4 在这里非常重要,它们起到给变压器消磁的作用,让变压器重新复位。当 switches 关断时,电感电流试图维持原来方向流动, D3,D4 就起到了给这个电感电流续流的作用,如若没有给电感续流,那么终将转换为高压损坏 switches 。续流路径如下: By Vincent
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    2018-10-23 09:28
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    电感器是开关转换器中非常重要的元器件,如用于储能及功率滤波器。电感器的种类繁多,例如用于不同的应用(从低频到高频),或因铁芯材料不同而影响电感器的特性等等。用于开关转换器的电感器属于高频的磁性组件,然而因材料、工作条件(如电压与电流)、环境温度等种种因素,所呈现的特性和理论上差异很大。因此在电路设计时,除了电感值这个基本参数外,仍须考虑电感器的阻抗与交流电阻和频率的关系、铁芯损失及饱和电流特性等等。本文将介绍几种重要的电感铁芯材料及其特性,也引导电源工程师选择市售标准的电感器。 前言 电感器(inductor)是一种电磁感应组件,用绝缘的导线在绕线支架(bobbin)或铁芯(core)上绕制一定匝数的线圈(coil)而成,此线圈称为电感线圈或电感器。根据电磁感应原理,当线圈与磁场有相对运动,或是线圈通过交流电流产生交变磁场时,会产生感应电压来抵抗原磁场变化,而此抑制电流变化的特性就称为电感(inductance)。 电感值的公式如式(1),其与磁导率、绕组匝数N的平方、及等效磁路截面积Ae成正比,而与等效磁路长度le成反比。电感的种类很多,各适用于不同的应用之中;电感量与线圈绕组的形状、大小、绕线方式、匝数、及中间导磁材料的种类等有关。 (1) 电感依铁芯形状不同有环型(toroidal)、E型(E core)及工字鼓型(drum);依铁芯材质而言,主要有陶瓷芯(ceramic core)及两大软磁类,分别是铁氧体(ferrite)及粉末铁芯(metallic powder)等。依结构或封装方式不同有绕线式(wire wound)、多层式(multi-layer)及冲压式(molded),而绕线式又有非遮蔽式(non-shielded)、加磁胶之半遮蔽式(semi-shielded)及遮蔽式(shielded)等。 电感器在直流电流如同短路,对交流电流则呈现高阻抗,在电路中的基本用途有扼流、滤波、调谐、储能等。在开关转换器的应用中,电感器是最重要的储能组件,且与输出电容形成低通滤波器,将输出电压涟波变小,因此也在滤波功能上扮演重要角色。 本文将介绍电感器的各种铁芯材料及其特性,也将介绍一些电感器之电气特性等,以作为电路设计时,挑选电感器的重要评价参考。在应用实例中,将透过实际范例介绍如何计算电感值,及如何挑选市售标准的电感器。 铁芯材料之种类 用于开关转换器的电感器属于高频磁性组件,中心的铁芯材料最是影响电感器之特性,如阻抗与频率、电感值与频率、或铁芯饱和特性等。以下将介绍几种常见的铁芯材料及其饱和特性之比较,以作为选择功率电感的重要参考: 1. 陶瓷芯 陶瓷芯是常见的电感材料之一,主要是用来提供线圈绕制时所使用的支撑结构,又被称为「空芯电感」(air core inductor)。因所使用的铁芯为非导磁材料,具有非常低的温度系数,在操作温度范围中电感值非常稳定。然而由于以非导磁材料为介质,电感量非常低,并不是很适合电源转换器的应用。 2. 铁氧体 一般高频电感所用的铁氧体铁芯是含有镍锌(NiZn)或锰锌(MnZn)之铁氧体化合物,属于矫顽磁力(coercivity)低的软磁类铁磁材料。图1为一般磁铁芯之磁滞曲线(B-H loop),磁性材料的矫顽磁力HC亦称为保磁力,系指当磁性材料已磁化到磁饱和后,使其磁化强度(magnetization)减为零时所需的磁场强度。矫顽力较低代表抵抗退磁能力较低,也意味着磁滞损失较小。 锰锌及镍锌铁氧体具有较高的相对磁导率(relative permeability;μr),分别为约1500~15000及100~1000,其高导磁特性使得铁芯在一定体积下可有较高的电感量。然而,缺点是其可耐受的饱和电流较低,且铁芯一旦饱和,磁导率会急遽下降,可参考图4所示铁氧体与粉末铁芯在铁芯饱和时磁导率下降趋势的比较。当用于功率电感时,会在主磁路留气隙(air gap),可降低磁导率、避免饱和及储存较多能量;含有气隙时的等效相对磁导率约可在20-200之间。由于材料本身的高电阻率可降低涡电流(eddy current)造成的损耗,因此在高频时损失较低,较适用于高频变压器、EMI滤波电感及电源转换器的储能电感。以操作频率而言镍锌铁氧体适合用在(>1 MHz),而锰锌铁氧体适用于较低的频段(<2 MHz)。 图1、磁铁芯之磁滞曲线(BR:剩磁;BSAT:饱和磁通密度) 3. 粉末铁芯 粉末铁芯亦属于软磁类铁磁材料,是由不同材料的铁粉合金或只有铁粉所制成,配方中有颗粒大小不同的非导磁材料,因此饱和曲线较为缓和。粉末铁芯多以环型(toroidal)呈现居多,如图2所示为粉末铁芯及其截面图。 图2、粉末铁芯之截面图 常见的粉末铁芯有铁镍钼合金(MPP)、铁硅铝合金(Sendust)、铁镍合金(high flux)及铁粉芯(iron powder)等。因所含成分不同,其特性及价格也有所不同,因而影响电感器的选择。以下将分别介绍前述之铁芯种类并比较其特性: A. 铁镍钼合金(MPP) 铁镍钼合金简称MPP,是molypermalloy powder的缩写,相对磁导率约14~500,饱和磁通密度约7500高斯(Gauss),比铁氧体的饱和磁通密度(约4000~5000高斯)高出许多。MPP具有最小的铁损,在粉末铁芯中,温度稳定性最好。当外加直流电流达饱和电流ISAT时,电感值缓慢降低,不会急剧衰减。MPP的性能较佳,但成本较高,通常作为电源转换器之功率电感及EMI滤波之用。 B. 铁硅铝合金 (Sendust) 铁硅铝合金铁芯是由铁、硅、及铝组成之合金铁芯,相对磁导率约26~125。铁损介于铁粉芯与MPP及铁镍合金之间。饱和磁通密度比MPP高,约10500高斯。温度稳定性及饱和电流特性比MPP及铁镍合金稍微逊色,但较铁粉芯及铁氧体铁芯为佳,相对成本较MPP及铁镍合金便宜。多应用于EMI滤波、功因修正(PFC)电路及开关电源转换器之功率电感。 C. 铁镍合金(high flux) 铁镍合金铁芯是由铁及镍组合而成,相对磁导率约14~200,铁损及温度稳定性均介于MPP及铁硅铝合金之间。铁镍合金铁芯的饱和磁通密度最高,约15000高斯,且可耐受直流偏置电流较高,其直流偏置特性也较好。应用范围有功因修正、储能电感、滤波电感、返驰式转换器之高频变压器等。 D. 铁粉芯(iron powder) 铁粉芯是由颗粒非常小、彼此间绝缘的高纯度铁粉颗粒制成,制作过程使其具有分布式的气隙。常见的铁粉芯之形状除了环型外,尚有E型及冲压式。铁粉芯之相对磁导率约10~75,约15000高斯之高饱和磁通密度。在粉末铁芯中,铁粉芯的铁损最高,但成本最低。 铁镍钼 铁镍合金 铁硅铝合金 铁粉芯 铁损 最低 适中 低 高 直流偏置特性 较好 最好 良好 普通 饱和磁通密度(Gauss) 7,500 15,000 10,500 15,000 相对磁导率 14-550 14-200 26-125 10-75 相对成本 高 中等 低 最低 温度稳定性 最好 较好 良好 差 实体图 表1粉末铁芯特性之比较 表1列出了以上四种粉末铁芯之比较。以实际应用而言,其中之铁硅铝合金的特性在各方面均不错,相对成本低,具有高性价比,因此常被用于EMI滤波电感。 图3所示为TDK所制之PC47锰锌铁氧体与MICROMETALS所制之铁粉芯-52及-2的B-H曲线;锰锌铁氧体的相对磁导率远高于铁粉芯,饱和磁通密度也相差很多,铁氧体约5000高斯而铁粉芯大于10000高斯以上。 图3、锰锌铁氧体与不同材质铁粉芯的B-H曲线 综合上述,铁芯饱和特性各有不同;一旦超过饱和电流,铁氧体铁芯的磁导率会陡降,而铁粉芯则可缓慢降低。图4所示即为具有相同磁导率的粉末铁芯与有气隙的铁氧体在不同磁场强度下的磁导下降特性。这也解释了铁氧体铁芯电感,因磁导率在铁芯饱和时骤降,由式(1)可知,也造成电感量骤降;而有分布式气隙的粉末铁芯,磁导率在铁芯饱和时是缓慢下降,因此电感量也降低得比较缓和,即有较好的直流偏置特性。在电源转换器的应用中,此特性很重要;若电感的缓饱和特性不佳时,电感电流上升到达饱和电流,电感量突降会造成开关晶体的电流应力突升,容易造成损坏。 图4、粉末铁芯与有气隙的铁氧体铁芯在不同磁场强度下的磁导下降特性 电感器之电气特性及封装结构 在设计开关转换器并挑选电感器时,电感值L、阻抗Z、交流电阻ACR与Q值(quality factor)、额定电流IDC与ISAT、以及铁芯损失(core loss)等等重要的电气特性都必须考虑。此外,电感器的封装结构会影响漏磁大小,进而影响EMI。以下将分别探讨上述之特性,以作为选择电感器之考虑。 1. 电感值(L) 电感器之电感值在电路设计时为最重要的基本参数,但必须看在工作频率下此电感值是否稳定。电感的标称值通常是在没有外加直流偏置的条件下,以100 kHz或1 MHz所量得。且为确保大量自动化生产的可能性,电感之容差值(tolerance)通常是 ±20%(M)与±30%(N)居多。图5为利用Wayne Kerr的LCR表量测Taiyo Yuden 电感NR4018T220M之电感-频率特性图,如图所示,在5 MHz之前电感值的曲线较为平坦,电感值几乎可视为常数。在高频段因寄生电容与电感所产生的谐振,电感值会上升,此谐振频率称为自我谐振频率(self-resonant frequency;SRF),通常需远高于工作频率。 图5、Taiyo Yuden NR4018T220M电感-频率特性之量测图 2. 阻抗(Z) 如图6,从阻抗图也可以看出电感在不同频率下的表现。电感的阻抗约与频率成正比(Z=2πfL),因此频率愈高,电抗会比交流电阻大很多,所以阻抗表现就如同纯电感(相位为90˚)。而再往高频,由于寄生电容效应,可以看到阻抗的自我谐振频率点,过了此点阻抗下降呈现电容性,且相位逐渐转为-90 ˚。 图6、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之阻抗-频率特性 3. Q值与交流电阻(ACR) Q值在电感的定义中为电抗与电阻的比值,也就是阻抗中虚数部分与实数部分的比,如式(2)。 (2) 其中XL为电感器之电抗,RL为电感器之交流电阻。 在低频段,交流电阻比电感造成的电抗大,所以其Q值很低;随着频率增加,电抗(约为2πfL)愈来愈大,即使电阻因集肤效应(skin effect)与邻近(proximity effect)效应愈来愈大,Q值仍随频率增加;在接近SRF时,电感抗逐渐为电容抗抵消,Q值又逐渐变小;在SRF时变为零,因电感抗与电容抗完全相消。图7为NR4018T220M之Q值与频率的关系图,其关系呈现倒钟形。 图7、Taiyo Yuden电感NR4018T220M之Q值与频率的关系图 在电感的应用频段里,Q值愈高愈好;表示其电抗远大于交流电阻。一般而言,Q值最好达到40以上,表示此电感的质量佳。然而,一般随直流偏置增加,电感值会下降,Q值也会降低。若采用扁平漆包线或多股漆包线,可以降低集肤效应,即交流电阻,也就可以提升电感的Q值。 直流电阻DCR一般多认为是铜线的直流电阻,此电阻可依线径与长度计算。然而大部分小电流SMD电感在绕线终端会用超音波焊接做SMD的铜片,但因为铜线长度不长,电阻值不高,因此焊接电阻常会占整体直流电阻相当的比例。以TDK之绕线式SMD电感CLF6045NIT-1R5N为例,其量测直流电阻为14.6mΩ,而依线径及长度计算之直流电阻为12.1mΩ。结果显示此焊接电阻约占整体直流电阻的17%。 交流电阻ACR则因有集肤效应与邻近效应,而会造成ACR随频率增加;一般电感的应用,因交流成份远低于直流成份,所以ACR造成的影响并不明显;但是在轻载时,因为直流成份降低,ACR造成的损耗便不能忽略。集肤效应即在交流的条件下,导体内部电流分布不均匀而集中在导线的表面,造成等效导线截面积降低,进而使导线的等效电阻随频率提高。另外,在一个导线绕组中,相邻的导线会因电流造成磁场的相加减,使得电流集中在导线邻近的表面(或最远的表面,视电流方向而定),同样造成等效导线截面积降低,等效电阻提高的现象,即所谓的邻近效应;在一个多层绕组的电感应用里,邻近效应更是明显。 图8为绕线式SMD电感NR4018T220M的交流电阻与频率关系图。在频率为1kHz时,电阻约为360mΩ;到了100kHz,电阻上升到775mΩ;在10MHz时电阻值接近160Ω。在估算铜损时,其计算须考虑集肤与邻近效应造成的ACR,并修正成式(3)。 (3) IAC,i为某谐波频率的RMS电流,RAC,i为该频率下之交流电阻。 图8、NR4018T220M之交流电阻与频率关系图 4. 饱和电流(ISAT) 饱和电流ISAT一般是标注在电感值衰减如10%、30%或40%之情况下的偏置电流。以气隙铁氧体而言,因其饱和电流特性非常急遽,10%与40%相差不大,可参考图4。但如果是铁粉芯(如冲压式电感),饱和曲线比较缓和,如图9,电感衰减10%或40%的偏置电流相差很多,因此就饱和电流值,二种铁芯将分开探讨如下。 对于一个气隙铁氧体,以ISAT作为电路应用最大的电感电流上限点是合理的。但如果是铁粉芯,因为缓饱和特性,即便应用电路最大电流超过ISAT也不会发生问题,因此这种铁芯特性最适合开关转换器的应用。在重载时,虽然电感器之电感值较低,如图9,造成电流涟波因子较高,但现今的电容电流耐受度高,因此并不会成为问题。在轻载时,电感器之电感值较大,有助于降低电感的涟波电流,进而降低铁损。图9比较了TDK之绕线式铁氧体SLF7055T1R5N及冲压式铁粉芯电感SPM6530T1R5M,在相同电感标称值下的饱和电流曲线。 图9、绕线式铁氧体与冲压式铁粉芯在相同电感标称值下的饱和电流曲线 5. 额定电流(IDC) IDC值为当电感温升为Tr˚C时的直流偏置。规格书同时标注其在20˚C的直流电阻值RDC。依铜导线的温度系数约为3,930 ppm,在Tr温升时,其电阻值为RDC_Tr = RDC(1+0.00393Tr),其功耗为PCU = I2DCxRDC。此铜损功耗在电感器表面散逸,可计算出电感的热阻ΘTH: (4) 表2为参考TDK VLS6045EX系列(6.0x6.0x4.5mm)的data sheet,并计算出在温升40˚C时之热阻。显然相同系列及尺寸的电感,因表面散热面积一样,其计算所得之热阻也相差无几;换句话说,可以估算不同电感的额定电流IDC。不同系列(封装)的电感,其热阻也不同。表3即比较了TDK VLS6045EX系列(semi-shielded)及SPM6530系列(molded)之电感的热阻。热阻愈大,表示此电感流过负载电流时所产生的温升较高;反之则较低。 VLS6045EX (6.0x6.0x4.5 mm) L(µH) RDC(mΩ) RDC_Tr(mΩ) IDC(A) PCU(W) ΘTH(˚C/W) 1.5 17 19.67 5.3 0.55 72 2.2 19 21.99 5.1 0.57 70 3.3 23 26.62 4.95 0.65 61 4.7 27 31.24 4.2 0.55 73 6.8 36 41.66 3.6 0.54 74 10 47 54.39 3.4 0.63 64 表2、VLS6045EX系列电感在温升40˚C时之热阻 从表3可知,即使电感的尺寸相近,由于冲压式电感的热阻低,即散热较好。 VLS6045EX (6.0x6.0x4.5mm) SPM6530 (7.1x6.5x3.0mm) L(µH) ΘTH(˚C/W) 1.5 72 29 2.2 70 30 3.3 61 28 4.7 73 31 6.8 74 45 10 64 40 表3、不同封装电感的热阻比较 6. 铁芯损失(core loss) 铁芯损失,简称铁损,主要由涡流损与磁滞损造成。涡流损大小主要是看铁芯材料是否容易「导电」;若导电率高,即电阻率低,涡流损就高,如铁氧体的电阻率高,其涡流损就相对的低。涡流损也与频率有关,频率愈高,涡流损愈大,因此铁芯材料会决定铁芯适当的工作频率。一般而言,铁粉芯的工作频率可到1MHz,而铁氧体的工作频率则可到10MHz。若工作频率超过此频率,则涡流损会快速增加,铁芯温度也会提高。然而,随着铁芯材料日新月异,更高工作频率的铁芯应是指日可待。 另一个铁损是磁滞损,其与磁滞曲线所围之面积成正比,即与电流交流成份的摆动(swing)幅度有关;交流摆幅愈大,磁滞损也愈大。 在电感器之等效电路中,常用一个并联于电感的电阻来表示铁损。当频率等于SRF时,电感抗和电容抗抵消,等效电抗为零,此时电感器之阻抗即等效于此铁损电阻串联绕线电阻,且铁损电阻已远大于绕线电阻,所以在SRF时的阻抗就约等于铁损电阻。以一低压电感为例,其铁损电阻约在20kΩ左右,若以电感两端的有效值电压5V来估算,其铁损约为1.25mW,这也说明了铁损电阻愈大愈好。 7. 封装结构(shield structure) 铁氧体电感的封装结构有非遮蔽式、加磁胶之半遮蔽式、与遮蔽式,而不论哪一种都存在相当的空气隙。显然此空气隙会有漏磁发生,且最坏的情况是会干扰周遭之小信号电路,或者,如果附近有导磁材料,其电感值也因此被改变。另一种封装结构为冲压式铁粉电感,由于电感内部没有间隙,且绕组结构扎实,因此磁场散逸问题较小。图10是利用RTO 1004示波器之FFT功能量测冲压式电感上方及侧边3mm处之漏磁场大小。表4列出不同封装结构电感的漏磁场大小比较,可看出非遮蔽式(non-shielded)电感之漏磁最严重;冲压式(molded)电感的漏磁最小,显示其磁遮蔽效果最好。这两种结构的电感之漏磁场大小相差约14dB,也就是将近5倍。 图10、冲压式电感上方及侧边3mm处之所量测之漏磁场大小 Structure Location Non-shielded Semi-shielded Shielded Molded Amplitude (dBµV) 3mm Above 87.1 83.2 76.0 73.3 Amplitude (dBµV) 3mm Aside 71.3 66.8 59.8 57.8 表4、不同封装结构电感之漏磁场大小比较 8. 耦合(coupling) 在一些应用当中,有时PCB上会有多组直流转换器,通常会相邻排列,且其对应之电感器也会相邻排列的情况,如果使用非遮蔽式或加磁胶之半遮蔽式的电感器,可能会相互耦合,形成EMI干扰。因此,在放置电感时,建议先标注电感的极性,将电感最内层之起绕点接到转换器之切换电压,如降压转换器的VSW,即动点,而将电感之外层出线端接到输出电容,即静点;铜线绕阻也因此如同形成一定程度的电场遮蔽。在多路转换器的布线安排中,固定电感的极性,有助于固定互感的大小,避免一些意想不到的EMI问题。 应用实例 前面章节探讨了电感的铁芯材质、封装结构、以及其重要之电气特性,在本章会说明如何选择合适之降压转换器之电感值,以及选择市售之电感器的考虑因素。 如式(5)所示,电感值及转换器之开关频率都会影响电感涟波电流(ΔiL)。电感涟波电流会流经输出电容,影响输出电容的涟波电流,也因此会影响输出电容的选择,并进而影响输出电压的涟波大小。再者,电感值与输出电容值亦会影响系统之回授设计及负载动态响应。选用较大的电感值,对于电容的电流应力较小,也有利于降低输出电压涟波,且可储存较多能量,然而电感值大就表示其体积大,亦即成本较高。因此,在设计转换器时,电感值的设计就非常重要。 (5) 由式(5)可知,当输入电压与输出电压差距愈大时,电感涟波电流会愈大,也就是电感设计的最严厉状况(worst-case condition)。再加上其他的归纳分析,降压转换器的电感值设计点通常应选在最大输入电压与满载的条件下。 在设计电感值时须在电感涟波电流及电感尺寸做取舍,在此定义涟波电流因子(ripple current factor;γ),如式(6)。 (6) 将式(6)代入式(5),则电感值可表示为式(7)。 (7) 根据式(7),当输入与输出电压差距愈大,γ值可以选取较大;反之若输入与输出电压愈接近,γ值设计必须较小。为了电感涟波电流与尺寸之间的取舍,依传统设计经验值,γ通常取0.2到0.5。以下为以RT7276为例说明电感值的计算与市售电感器的选择考虑。 设计实例:以RT7276先进恒定导通时间(Advanced Constant On-Time;ACOTTM)之同步整流降压转换器来设计,其开关频率为700 kHz,输入电压为4.5V到18V,输出电压为1.05V,满载电流为3A。如上所述,电感值须设计在最大输入电压18V及满载3A的条件下,将γ值取0.35,将上述数值代入式(7),得电感值为: (8) 取用一常规标称电感值为1.5 µH的电感。代回式(5)计算电感涟波电流,如下 (9) 因此电感的峰值电流为 (10) 而电感电流的有效值(IRMS)为 (11) 因电感涟波成分小,因此电感电流有效值主要为其直流成分,此有效值即作为选择电感额定电流IDC的依据。以80%减额(derating)设计,电感的需求为: L = 1.5 µH(100 kHz),IDC = 3.77 A,ISAT = 4.34 A 表5所列为可选用之TDK不同系列的电感,尺寸相近但封装结构不同。从表中可知,冲压式电感(SPM6530T-1R5M)的饱和电流及额定电流大,且热阻小、散热佳。另外,根据前章之探讨,冲压式电感的铁芯材质属于铁粉芯,因此相较于加磁胶之半遮蔽式(VLS6045EX-1R5N)及遮蔽式(SLF7055T-1R5N)电感的铁氧体铁芯,具有较好的直流偏置特性。图11为不同电感应用于RT7276先进恒定导通时间之同步整流降压转换器的效率比较,结果显示三者之效率差异并不大。而若考虑散热、直流偏置特性及磁场散逸问题,建议选用SPM6530T-1R5M电感。 参数 型号 L(µH) @100 kHz IDC(A) ISAT(A) RDC(mΩ) ΘTH(˚C/W) VLS6045EX-1R5N 1.5 5.3 8.2 17 72 SLF7055T-1R5N 1.5 4 6.2 17.4 96 SPM6530T-1R5M 1.5 11 11.5 9.7 29 表5、TDK不同系列的电感比较 图11、不同电感之转换器效率比较 若选用相同封装结构及电感值,而尺寸较小的电感,如SPM4015T-1R5M(4.4x4.1x1.5mm),虽然其体积小,但直流电阻RDC(44.5mΩ)及热阻ΘTH(51˚C/W)较大。对于相同规格之转换器而言,电感所耐受的电流有效值也相同,显然直流电阻大会降低重载时之效率,此外,热阻大即表示散热较差。因此,在选择电感时不可只考虑缩小尺寸带来的效益,还需评估其伴随的缺点。 结论 电感在开关电源转换器中是常用的被动组件之一,可用来储能以及滤波。然而在电路设计上,需要关注的不仅电感值这个参数,其它包括交流电阻与Q值、电流耐受能力、铁芯饱和程度、以及封装结构等等,都是在选择电感器时须考虑的参数。而这些参数通常与铁芯材料、制程工艺、更与尺寸成本有关。因此本篇介绍了不同铁芯材料的特性,以及如何选择适当的电感,作为电源设计的参考。 参考文献 王信雄 博士,返驰变压器设计指南,Oct. 2011. 王信雄 博士,开关转换器控制理论与设计实务。 TOKEN,"What is a inductor,"2010. TDK,"Guidebook for TDK Inductors & Noise Suppression Components,"Sept. 2006. TDK, "Wound Metallic Magnetic Material SPM4012 type,"Mar. 2015. MICROMETALS,"Iron Powder Cores for Switch-mode Power Supply Inductor." Changsung,"Magnetic powder cores,"2006. 立锜科技电子报
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    2018-9-25 09:33
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    【博客大赛】开关电源:变压器详解(一)
    一时兴起,想和大家聊聊变压器的,到了提笔写的时候,心里还是有点发虚的。突然发现原来自己对变压器的了解是如此肤浅。平时做电源基本都是套用公式或者是经验值,计算都是利用软件,真正深入到原理,确实也说不出一二三,也道不明白四五六七。怎么说,借此机会也正好倒逼自己把一些基础的东西整理一下,就当实践和理论的印证。不到位的地方大神小白不要见笑,当然也帮忙指正,一起学习。 要说变压器,第一个反应是图( 1 )这种大家伙, No… ,这里要讨论的是高频开关电源用的变压器,图( 2 )里的这些小只的。 图( 1 ) 图(2) 变压器是反激开关电源的核心,开关电源的输入输出参数决定了变压器各个部件参数,变压器最终的性能又影响到开关电源本身性能。变压器就是要让开关电源工作在一个最优的或者说相对好的工作点上。 开关电源变压器设计要遵循以下两个原则: * 温升: 安规对变压器温升有严格的规定。 Class A 的绝对温度不超过 90°C ; Class B 不能超过 110°C 。因此,温升在规定范围内,是我们设计变压器必须遵循的准则。 * 成本: 开关电源设计中,成本是主要的考虑因素,而变压器又是电源系统的重要组成部分,因此如何将变压器的价格,体积和品质最优化,是开关电源设计者努力的方向。 设计变压器首先要关注以下系统输入输出参数,根据这些参数来设计变压器部件的参数,下面我罗列出来: * 输入电压: Vacmin~Vacmax * 最大导通时间: Tonmax * 输出电压: Vout * 输出电流: Iout * 输入频率: f L * 工作频率: fs * 设计效率:η * 输入功率: Pin=Pout/ η * 最大温升: 40 ℃ 变压器设计,没有特定的套路,也没有啥说先算哪个再设计哪个的说法(因为,通常,工程师都是用软件计算的么,嘿嘿),查阅了很多资料,找了一个我认为比较清晰的思路分享给大家,当然先后顺序值得商榷,有的是同时进行的,有感觉没必要算都是经验值或者是没有特殊情况都是常规值直接拿来用,做个参考了解下也是有必要的,下面我也罗列出来: 1. 选择开关管和输出整流二极管; 2.计算变压器匝数比; 3.确定最低输入电压和最大占空比; 4.反激变换器的工作过程分析; 5.计算初级临界电流均值和峰值; 6.计算变压器初级电感量; 7. 选择变压器磁芯; 8.计算变压器初级匝数、次级匝数和气隙长度; 9.满载时峰值电流; 10.最大工作磁芯密度 Bmax ; 11. 计算变压器初级电流、副边电流的有效值; 12. 计算原边绕组、副边绕组的线径,估算窗口占有率; 13. 计算绕组的铜损; 14. 变压器绕线结构及工艺; 在查阅资料的时候,看到一幅很有意思的关于开关电源变压器的思维导图,这边分享给大家,图( 3 )。 今天是 2018 年中秋,关于开关电源变压器的话题先开个头,接下来的内容,容我慢慢整理一番,在此,祝各位电子同行或者电子爱好者中秋快乐,阖家幸福。 攻城狮聚聚 们的聚集地,期待你们的加入↓↓↓ ( 此群仅用于技术交流与学习讨论, 群内不定时资料分享) 无法入群时,可添加管理员微信 zcoreplayer007 (请备注: 技术交流群 )
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    2018-9-9 21:51
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    【博客大赛】开关电源:“你好,电感!:)”
    设计一个好的开关电源,需要很多步骤,这里我们就从输出的电感着手,聊一聊电感本身,以及在设计开关电源的过程中,如何确定电感相关参数或者说如何选型一个电感。 先来老生常谈一下,说说电感的定义。电感是常用的电子元件,由于它的电压和电流相位不同,所以理想模型上损耗应该是零。电感作为储能元件,与电容一起用在输入、输出滤波电路上。电感也被称为扼流圈,特点是流过其上的电流有 “很大的惯性 ”。换句话说,由于磁通连续特性,电感上的电流必须是连续的,否则将会产生很大的 电压尖峰。 实际电感和理想电感还是有区别的,随着频率的变化,其阻抗不是线性的变化,可以从图( 1 )中感受一下,红色直线代表理想电感,紫色的曲线代表实际电感, 图(1) 很显然,实际电感随着频率的增加,其本身的特性又可以说是等效电路发生了变化,如图( 2 )。理想电感等效电路如图( 2 ) .a 。在频率较低的时候,实际电感等效电路如图( 2 ) .b ,是一个理想电感串联一个理想电阻。在高频电路分析的时候,实际电感等效电阻电路如图( 2 ) .c, 是一个理想电感串联一个理想电阻后再和一个理想电容并联。分析了实际电感的等效电路后,回过头我们去看图( 1 )中实际电感的频率响应曲线就不难理解了。 图(2) 以上是对电感的物理模型做了一些简单的分析,实际电感针对不同的应用场合,衍生出了很多形式,本文主要分析的是线圈形式的电感以及片式电感即表面贴装电感,当然变压器也是电感的一种形式,这里不做详细分析, 常见的线圈形式的电感分类如下: *按电感形式分类: 固定电感、可变电感。 * 按导磁体性质分类: 空芯线圈、铁氧体线圈、铁芯线圈、铜芯线圈。 * 按工作性质分类: 天线线圈、振荡线圈、扼流线圈、陷波线圈、偏转线圈。 * 按绕线结构分类: 单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。 * 按工作频率分类: 高频线圈、低频线圈。 * 按结构特点分类: 磁芯线圈、可变电感线圈、色码电感线圈、无磁芯线圈等。 常见的片式电感分类如下: *绕线型: 它的特点是电感量范围广,电感量精度高,损耗小(即 Q大),容许电流大、制作工艺继承性强、简单、成本低等,但不足之处是在进一步小型化方面受到限制。 *叠层型: 它具有良好的磁屏蔽性、烧结密度高、机械强度好。不足之处是合格率低、成本高、电感量较小、Q值低。 *薄膜片式: 具有在微波频段保持高Q、高精度、高稳定性和小体积的特性。其内电极集中于同一层面,磁场分布集中,能确保装贴后的器件参数变化不大,在100MHz以上呈现良好的频率特性。 *编织型: 特点是在1MHz下的单位体积电感量比其它片式电感器大、体积小、 容易安装在基片上。用作功率处理的微型磁性元件。 在实际应用中,我们主要关注电感的这些参数:电感量( L )及允许误差、感抗( XL )、品质因数( Q 值)、分布电容、直流电阻、标称电流等。图( 3 )就是一颗典型电感的参数表,开关电源电路设计更是要仔细考虑,仿真计算以及累计的经验来选型对应的电感。 图(3) 在实际电路设计中,潮湿与干燥,环境温度的高低,高频或低频环境,要让电感表现的是感性,还是阻抗特性等,以及带不带屏蔽壳,应用时候饱不饱和,都是我们电路设计要考虑的因素。 更多好玩有趣的项目,可关注ZcorePlayer公众号哟~~ :
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    2018-4-10 11:21
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      在任何开关电源设计中,PCB板的物理设计都是最后一个环节,如果设计方法不当,PCB可能会辐射过多的电磁干扰,造成电源工作不稳定,以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析。   1. 从原理图到PCB的设计流程   建立元件参数——输入原理网表-设计参数设置-手工布局-手工布线-验证设计——复查-CAM输出。   2. 参数设置   相邻导线间距必须能满足电气安全要求,而且为了便于操作和生产,间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压,在布线密度较低时,信号线的间距可适当地加大,对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距,一般情况下将走线间距设为8mil。焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm,这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时,要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状,这样的好处是焊盘不容易起皮,而是走线与焊盘不易断开。   3. 元器件布局   实践证明,即使电路原理图设计正确,印制电路板设计不当,也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如,如果印制板两条细平行线靠得很近,则会形成信号波形的延迟,在传输线的终端形成反射噪声;由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰,会使产品的性能下降,因此,在设计印制电路板的时候,应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路:   ◆ 电源开关交流回路   ◆ 输出整流交流回路   ◆ 输入信号源电流回路   ◆ 输出负载电流回路输入回路   通过一个近似直流的电流对输入电容充电,滤波电容主要起到一个宽带储能作用;类似地,输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量,同时消除输出负载回路的直流能量。所以,输入和输出滤波电容的接线端十分重要,输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源;如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连,交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。   电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流,这些电流中谐波成分很高,其频率远大于开关基频,峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍,过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰,因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路,每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置,调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。   建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似,最佳设计流程如下:   1.放置变压器   2.设计电源开关电流回路   3.设计输出整流器电流回路   4.连接到交流电源电路的控制电路   设计输入电流源回路和输入滤波器 设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元,对电路的全部元器件进行布局时,要符合以下原则:   ● 首先要考虑PCB尺寸大小。PCB尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小则散热不好,且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状为矩形,长宽比为3:2或4:3,位于电路板边缘的元器件,离电路板边缘一般不小于2mm   ● 放置器件时要考虑以后的焊接,不要太密集   ● 以每个功能电路的核心元件为中心,围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在PCB上,尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的VCC   ● 在高频下工作的电路,要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样,不但美观,而且装焊容易,易于批量生产   ● 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置,使布局便于信号流通,并使信号尽可能保持一致的方向   ● 布局的首要原则是保证布线的布通率,移动器件时注意飞线的连接,把有连线关系的器件放在一起   ●尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰   4.布线   开关电源中包含有高频信号,PCB上任何印制线都可以起到天线的作用,印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗,从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽,这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。   印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比,而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长,长度越长,印制线能发送和接收电磁波的频率越低,它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路,作为电路的公共参考点起着很重要的作用,它是控制干扰的重要方法。因此,在布局中应仔细考虑接地线的放置,将各种接地混合会造成电源工作不稳定。   5.检查   布线设计完成后,需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则,同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求,一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,是否满足生产要求。 电源线和地线的宽度是否合适,在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。注意: 有些错误可以忽略,例如有些接插件的Outline的一部分放在了板框外,检查间距时会出错;另外每次修改过走线和过孔之后,都要重新覆铜一次。   复查根据“PCB检查表”,内容包括设计规则,层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置,还要重点复查器件布局的合理性,电源、地线网络的走线,高速时钟网络的走线与屏蔽,去耦电容的摆放和连接等。   6.设计输出   输出光绘文件的注意事项:   ● 需要输出的层有布线层(底层)、丝印层(包括顶层丝印、底层丝印)、阻焊层(底层阻焊)、钻孔层(底层),另外还要生成钻孔文件(NC Drill)   ● 设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text、Line   ● 在设置每层的Layer时,将Board Outline选上,设置丝印层的Layer时,不要选择Part Type,选择顶层(底层)和丝印层的Outline、Text、Line   ● 生成钻孔文件时,使用PowerPCB的缺省设置,不要作任何改变   
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