【硬缸·EP5.1】电源用电感

这是硬缸系列的第五集第一部分,电源用电感。

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写这篇文章的时候,我参考了大量的文章,这些文章通常来自值得信赖的电子元件公司或权威的EE杂志。在一些地方,我引用了他们的 图片(假如您是图片的作者,觉得不合适,可以及时的E-MAIL我),感谢这些工程师的工作。有一些文章,没有做出引用但是同样很有帮助,我也一并放在下面(小服务器放不下,大家可以自行搜索,后续有时间可能会做一些翻译工作,到时候再放出)。

参考资料:

生产实践中,我们经常需要使用DCDC进行能量转换,而目前绝大多数的DCDC基本上是电感型的拓扑。

当电流流过电感器时,电感会将其储存为能量,断开电流时会释放能量。功率电感器正是利用了此性质,并且主要用于DC-DC转换器等电源电路中。

随着技术进步,成本下降,后级负载功耗的增加,DCDC的应用范围和技术要求也在不断增加。

这样一来,如何在电源设计中用适当的技巧使用合适的电感就成了一个基本问题。

一、功率电感的主要考虑特性

a、感值

电感的感值毫无疑问非常重要,几乎所有的DCDC电路的参数计算都离不开纹波电流,而纹波电流又与电感值紧密相关。但是永远应该记住的是SMPS从来不是一个稳定的过程。其中最重要的电感和电容也一定不会是一成不变的额定值。

功率电感器的设计难度在于其特性会随电流大小或温度等而发生变化。例如,电感(L)拥有随电流增大而降低的性质(直流重叠特性),同时,随着电流增大,温度会随之上升,由此磁芯导磁率(μ)及饱和磁通密度(Bs)会发生变化。

b、额定电流

功率电感器的额定电流分为直流重叠允许电流与温度上升允许电流两种。

直流重叠允许电流:

磁芯变为磁饱和后电感值将会下降。可在非磁饱和状态下流过的最大电流为直流重叠允许电流(例:相比初始电感值降低40%)。

温度上升允许电流:

绕组电阻引起的发热中所规定的为温度上升允许电流(例:因自发热导致温度上升40℃)。一般情况下,该两种允许电流中,较小的一方为额定电流。

二、功率电感的常见制造技术

在一开始,我们先来看一下一般商用的电感的三种分类方法。

注:这篇博客不涉及磁环电感以及其他类型的非公电感

工艺 绕线 绕线产品因为是直接在磁芯上饶铜线的结构。可以使用较粗的铜线来降低直流电阻,适用于大电流应用。
同时还有使用磁性金属粉末对线圈进行压制而成的金属一体成型产品,可有效抑制啸叫问题。
积层 此工艺是通过在片状基材上打印金属导体,再将其一层层叠加后生成线圈。适用于产品小型低背化,非常适合大规模量产。
薄膜 通过使用薄膜工艺形成高精度线圈,搭配金属磁性材料,制造出的产品适合小型低背化、大电流要求的应用。
磁性材料 铁氧体 这类产品μ值较高,适用于需要大感量的应用。同时,在达到磁饱前,拥有平坦稳定的直流叠加特性。
金属 这类产品受温度影响的电感变化较小,此外,相比铁氧体不容易磁饱和,因此拥有软饱和特性。
屏蔽型 非屏蔽 线圈未进行磁屏蔽的简单开放式磁路电感器。
树脂屏蔽 线圈周围覆盖混合了铁氧体或软磁性金属磁性粉末的树脂。与全屏蔽型相比,虽然磁屏蔽效果有限,但良好的平衡了成本和性能。
屏蔽 通过在线圈周围覆盖环形磁芯,或者使用磁性材料一体成型,使其拥有接近闭合磁路的结构。磁性屏蔽效果好,相比其他类型磁露最小。

a、工艺

工艺上来说,一般会选择绕线型电感,因为其一般电流大,DCR比较小。

但是,值得注意的是。不同电感的绕线方法也大不相同。

常见有单股绕线,多股绕线,扁铜带等。。。

下图为TDK公司的SPM系列的电感结构透视图:

b、磁性材料

不同厂家不太一样,一般来说,铁氧体,铁粉芯,金属一体成型的肉眼可见的表面越光滑越细腻越好。比如ETQP,IHLP这些顶级的电感,就像是一整块金属抛光过一样。

c、屏蔽技术

图1 开放磁路结构以及闭合磁路结构的功率电感器

图3 3款TDK功率电感器产品的近磁场3D图形

三、功率电感使用中的常见问题

a、噪声

噪声的来源多种多样。一般有以下几种情况

1、负载的快速变化。

2、低功耗下进入PFM模式,频率过低时导致产生噪声。

3、磁致伸缩效应导致电感与PCB基板之间的震动。(可以打胶)

4、磁化的磁性材料相互吸引或排斥。(可以打胶)

5、漏磁通导致线圈在磁性材料中的震动。(打胶或者更换一体成型)

6、与PCB基板谐振

b、layout时的注意事项

可以参见我的其他博文关于电源layout的注意事项

c、损耗

绕组引起的损耗称为铜损,磁芯材料引起的损耗称为铁损。铜损主要为绕组直流电阻(DCR)引起的损耗(直流铜损),其与电流2次方成比例增大。同时,其拥有频率越高,交流电流越会集中在导体表面附近流过,实际电阻值增加的性质(趋肤效应),在高频范围中还加上交流电流引起的铜损(交流铜损)。
铁损主要包括磁滞损耗与涡流损耗。涡流损耗与频率的2次方成正比,因此在高频率范围内涡流损耗引起的磁芯损失会增加。实现高效化的重点在于即使在高频范围内也选择使用磁芯损失较少的磁芯材料。

损耗的计算可以估算也可以用网站工具。据我所知Vishy和CoilCraft都在网站上提供了具体计算,仿真的软件。

了起

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