電感案例：低功耗電源的電感選擇

在對(duì)磁芯施加磁場(chǎng)時(shí)(對(duì)線圈施加電流),方向不同的單元相互之間相關(guān)聯(lián)。當(dāng)足夠強(qiáng)的電流形成外加磁場(chǎng)時(shí),那些靠近線圈的單元所處的磁場(chǎng)更強(qiáng),會(huì)首先形成聯(lián)合(更大的單元)。而此時(shí)處在深一層的單元還未受到磁場(chǎng)的影響。聯(lián)合起來的單元與未受到影響的單元之間的單元壁會(huì)在磁場(chǎng)的作用下,持續(xù)向磁芯中心移動(dòng)。如果線圈中的電流不撤銷或翻轉(zhuǎn)的話,整個(gè)磁芯都將會(huì)聯(lián)合在一起。整個(gè)磁芯的磁針聯(lián)合在一起,我們稱為“飽和”。電感制造商給出的B-H磁滯回線正表示磁芯從被磁化的初始階段到飽和階段的過程。如果將電流減弱,那么單元就會(huì)向自由的初始態(tài)轉(zhuǎn)變,但是有些單元會(huì)繼續(xù)保持聯(lián)合的狀態(tài)。這種不完全的轉(zhuǎn)化就是剩磁(可以在磁滯回線中看出)。這種剩磁現(xiàn)象就會(huì)在下一次單元結(jié)合時(shí)體現(xiàn)為應(yīng)力,導(dǎo)致磁芯損耗。

每個(gè)周期內(nèi)的磁滯損耗為：

WH=mH×dI

式中積分為磁滯回線中的包羅面積,磁芯從初始電感量到峰值電感量,再回到初始電感量的整個(gè)過程。而在開關(guān)頻率為F時(shí)的能量損耗為：

PH=F×mH×dI

計(jì)算這些交流損耗看起來似乎容易。但是在高頻、中等通流密度下,情況將異常復(fù)雜。每個(gè)電路都存在一些對(duì)磁芯損耗有影響的參數(shù),而這些參數(shù)一般都很難量化。比如：離散電容、pcb布局、驅(qū)動(dòng)電壓、脈沖寬度、負(fù)載狀態(tài)、輸入輸出電壓等。不幸的是,磁芯損耗受這些參數(shù)影響很嚴(yán)重。

每個(gè)磁芯材料都有能導(dǎo)致?lián)p耗的非線性電導(dǎo)率。正是這個(gè)電導(dǎo)率,會(huì)由于外加磁場(chǎng)而在磁芯內(nèi)部誘發(fā)會(huì)產(chǎn)生損耗“渦電流”。在恒定磁通量下,磁芯損耗大致與頻率n次方成正比。其中指數(shù)n會(huì)隨磁芯材料以及制造工藝不同而不同。通常的電感制造商會(huì)通過磁芯損耗曲線擬合出經(jīng)驗(yàn)的近似公式。

電感參數(shù)

磁感應(yīng)強(qiáng)度B在正激開關(guān)電路中可以由下式表示：

Bpk=Eavg/(4×A×N×f)

式中Bpk為尖峰交流通流密度(Teslas);Eavg為每半周期平均交流電壓;A為磁芯橫截面積(平方米);N為線圈匝數(shù);f為頻率(赫茲)。

一般來講,磁性材料制造商會(huì)評(píng)估磁芯的額定電感系數(shù)－AL。通過AL可以很容易的計(jì)算出電感量。

L=N2AL

其中AL與磁性材料的摻雜度成正比,也與磁芯的橫截面積除以磁路長度成正比。磁芯的總損耗等于磁芯的體積乘以Bpk乘以頻率,單位為瓦特/立方米。其與制造材料與制造工藝息息相關(guān)。

磁芯損耗測(cè)試設(shè)備

測(cè)試電感性能的最有效方法就是將被測(cè)試電感放置在最終開關(guān)電源電路上,然后對(duì)此電路的效率進(jìn)行測(cè)量。但是,這種測(cè)試方法需要有最終電路,不易采用?，F(xiàn)在,有一種相對(duì)簡單的測(cè)試方法,可以在設(shè)計(jì)開關(guān)電源前對(duì)電感的磁芯損耗進(jìn)行測(cè)試(在其設(shè)定的開關(guān)頻點(diǎn)上)。首先,將磁芯串連放置在低損耗電容介質(zhì)上(比如鍍銀云母)。然后,用一系列共振模驅(qū)動(dòng)。其中介質(zhì)的電容值需要與被測(cè)電感的開關(guān)頻率一致。最后采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來完成整個(gè)測(cè)試過程(信號(hào)發(fā)生器加上一個(gè)射頻伏特計(jì)或者功率計(jì)也可以完成測(cè)試)。測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖2所示

圖2測(cè)試測(cè)試剖面圖

在諧振點(diǎn),低損耗的磁芯可以看成L-C共振回路。此時(shí)損耗可以等效為一個(gè)純阻元件(包括線圈損耗和磁芯損耗)。在上面的測(cè)試設(shè)備中,端子A和R都連接著50Ω電阻。此設(shè)備的開路(不包括電感)等效為150Ω負(fù)載的振蕩器。在網(wǎng)絡(luò)分析儀上可以表示為：

20×Log(A/R)=20×Log(50/150)=-9.54dB

在這個(gè)測(cè)試電路中,諧振電容為2000pF,被測(cè)電感大概為2.5mH～2.8mH,測(cè)試頻率為1kHz。其中,磁性材料的滲透率是一個(gè)與頻率有關(guān)的非線性函數(shù),在更高的頻點(diǎn)上,測(cè)試結(jié)果有可能不同。

磁芯損耗實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

一個(gè)相對(duì)磁導(dǎo)率為125mr的單層鐵鎳鉬薄片磁芯,外圍纏繞10/44的多芯電線16匝,另一個(gè)雙層250摻雜度的鎳鐵鉬磁粉芯,外圍纏繞10/44的多芯電線8匝。電感量測(cè)試值分別為2.75mHy和2.78mHy。第一個(gè)電感雖然是16匝,但是橫截面積是第二個(gè)電感的一半。在相同振幅信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下,這兩個(gè)電感的損耗都很高。等效電阻分別為360Ω和300Ω。相對(duì)的,另一個(gè)電感(2.5mHy)采用Micrometals公司的非常低的摻雜材料(羰基T25-6,相對(duì)磁導(dǎo)率為8.5)。10/44多芯電線34匝。在同樣的驅(qū)動(dòng)信號(hào)下,他的等效損耗電阻為22000Ω。

對(duì)于低功耗開關(guān)電源的電感選取有許多特殊注意之處。對(duì)于低功耗、高效率的開關(guān)電源設(shè)計(jì),一般的器件資料或者選型表提供的參數(shù)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。通常的電感都是鐵氧體磁芯(非低損耗材料),必將逐步在低功率、高效率的應(yīng)用中淘汰。一種相對(duì)簡單的電感損耗測(cè)試設(shè)備可以在設(shè)計(jì)的頻點(diǎn)測(cè)試電感的損耗,對(duì)比不同電感的性能。

當(dāng)設(shè)計(jì)需要選取低損耗電感時(shí),應(yīng)選取低摻雜度材料來獲得低的磁場(chǎng)強(qiáng)度參數(shù)-B。并選擇低損耗的磁芯或考慮采用多芯電線。并且,最好采用芯片公司推薦的磁性元件,或者向?qū)I(yè)的磁材料專家請(qǐng)教,以便能夠滿足特定的需求。