选择最佳的功率电感技术及最佳匹配的性能要求

电感最佳匹配的性能参数

1. 额定电流 Current Rating
允计能通过一电感之连续直流电流强度。是电感器处在额定最高环境温度的环境中,电感器温升最高时,可以连续流过直流电流的大小,与电感器绕组的大小有关。 在选用电感元件时,若电路流过电流大于额定电流值,就需改用额定电流符合要求的其他型号电感器。

  • 第一个因素是 Isat 是应对可能出现的磁饱和的峰值电流。
  • 第二个因素是 Irms 是应对由于平均电流所产生的温升效应。
L vs Frequency Characteristics
L vs Frequency Characteristics

2. L (电感量 Inductance)
电感单位:亨 (H)、毫亨(mH)、微亨 (μH),1μH=10-3mH,1mH=106nH,1H=103mH=106μH。
电感量 L 又称作自感系数,是物理量表示电感元件自感应能力的一种方式。当通过一个线圈的磁通(即通过某一面积的磁力线数)发生变化时,线圈中便会产生电势,这是电磁感应现象。 所产生的电势称感应电势,电势大小正比于磁通变化的速度和线圈匝数。当线圈中通过变化的电流时,线圈产生的磁通也要变化,磁通掠过线圈,线圈两端便产生感应电势,这便是自感应现象。 因此,电感感量的大小,主要取决于线圈的圈数(匝数)、绕制方式、有无磁心及磁心的材料等等。自感电势的方向总是阻止电流变化的,犹如线圈具有惯性,这种电磁惯性的大小就用电感量 L 来表示。 L 的大小与线圈匝数、尺寸和导磁材料均有关,采用硅钢片或铁氧体作线圈铁芯,可以较小的匝数得到较大的电感量。 通常,线圈圈数越多、绕制的线圈越密集,电感量就越大。有磁心的线圈比无磁心的线圈电感量大;磁心导磁率越大的线圈,电感量也越大。

3. DCR (直流阻抗)
电感线圈在非交流电下量得之电阻值,在电感设计中,直流阻抗越小越好,其量测单位为 Ohm,通常标注其最大值。 DCR 是一个衡量绕制电感线的特性,并严格依据导线直径和长度。通常情况下,在目录中被指定为“最大”,一般可视为公称的宽差。 DCR 值越小,意味着必须使用更大的线径,电感器的体积就更大。因此,DCR 最佳优化选择的方法,是折衷电源效率,元件尺寸和允许压降的组成部分。

4. SRF (自谐频率 Self Resonant Frequency)
.电感器中的分布电容与电感形成谐振时的频率。此时电感的感抗等于电容的容抗,并相互抵消。电感在自谐频率点时,显出高阻抗值的纯电阻状态。 .分布电容是由于各层线圈一层屋叠着并且是绕在磁芯上而形成的。此电容是并联于电感。当频率高于自谐频率时,此并联之容抗会主导元件的特性。 而且此电感之质因数,于自谐频率时会为零。因此时之感抗等于零。自谐频率以MHz Min.标示。

Q vs Frequency Characteristics
Q vs Frequency Characteristics

5. Isat (饱和电流 Saturation Current)
饱和电流指在电感器中流过引起电感量下降一特定量的直流偏置电流。电感量下降的值是从直流电流为0时的电感量开始计算,通常定义的电感值下降百分比有10%及20%。 在储存能量的应用中,铁氧体磁芯的电感量下降规定为10%,铁粉芯类磁芯的电感量下降规定为20%。因此,直流偏置电流而致电感值下降的因素与磁芯的磁性有关, 当超出最大的磁通量密度点以后,磁心的导磁率会降低,因此,电感值会因而下降。

6. Irms (RMS 电流)
Irms 是电感有效电流 (均方根值 Root-Mean-Square),电感的额定电流取两者之中的最小值。 常用于电感产品的应用额定电流,也称为温升电流(Heating Current)。即产品应用时,表面达到一定温度时所对应的DC电流。温升电流Irms=>使电感温度上升20或40度的电流。

7. Q值 (品质因系数)
电感器的品质因系数是量测一电感相对损耗的指标,它的定义为感抗(ωL)与有效电阻(R)之比。如下;
Q=ωL/R=1/ωRC
ω;是电路谐振时的电源频率。C;是电容。
电感器品质因数的高低与线圈导线的直流电阻、线圈骨架的介质损耗及铁心、屏蔽罩等引起的损耗等有关。 因为感抗及有效电阻都关系于频率,当要确定品质因素时需要指定一测试频率,品质因素是一钟型曲线。有效电阻是由直流电阻,铁芯损耗及集肤效应引起的。

8. Impedance (阻抗)
电感的阻抗值是指其在交流电流下所有阻抗的总和,包含了交流及直流的部份,直流部份的阻抗仅仅是绕线的直流电阻,交流部份的阻抗值则包括电感的电抗。

9. Operating Temperature range (操作温度范围)
元器件可以持续操作的整体环境温度范围。操作温度不同于储存温度,因操作温度范围包括器件本身的热功耗,功耗导至组件自身温度高于环境温度。因此,最大操作温度应低于最高的储存温度,最大操作温度=储存温度-自身温升。

如何选择合适的电感(叠层功率电感,铁氧体大电流电感)

1. 如何确定标称电感量:
根据实际电路的工作频率、额定电流,确定并选择合适标称电感量的电感 -> 确定标称电感量。

2. 如何确认电感额定电流:
根据电路实际工作电流范围,挑选合适饱和电温Isat和温升电流Irms的电感 -> 确定额定电流。

3. 电感安装方式和外型尺寸选型:
根据电路元件布局密度和空间要求,选择符合上述第1、2项最小体积的电感安装方式和外型尺寸。

4. 屏蔽或非屏蔽结构电感的选择:
根据整机电路稳定和可靠性能及成本价格等要求综合考量,选择合适屏蔽或非屏蔽结构规格的电感器。

5. 选择合理的工作温度范围:
根据电路实际工作温度范围,选择合理正常工作温度的电感器,以确保实际温度范围内电感器能正常工作,不致于因温度过高导致电感饱和或寿命缩减等因素,引起电路整机性能下降。

功率电感选型不当会产生怎样的后果?

1. 电感外型和尺寸选择不当?
可能导致整机空间和PCB板LAYOUT面积增大,而不能实现轻便、小巧发展的趋势。

2. 标称电感量选择不当?
可能导致实际动态工作时,因其感量下降幅度过大,从而满足不了电路的最小电感量需求,引起输出电压、电流动态不足造成整机性能下降(指用于DC-DC电源储能电感),或电路纹波杂讯干扰过大(指用于滤波电路的滤波电感)。

3. 额定电流选择不当?
可能导致电感在电路中工作时感量下降幅度过大,满足不了电路的最小电感量,引起电感啸叫杂音、纹波过大、输出电压和电流不稳定,或电感表面温度过高,造成的一系列整机性能不稳定,或效率低等异常情形。

功率电感器的额定电流为什么有两种?

电感器主要参数:

随着计算机技术和微电子技术的迅速发展,嵌入式系统应用领域越来越广泛。节能是全球化的热潮,对电子设备的低功耗要求也在不断增加,电源设计技术变得日益重要。在实际的电源设计中电感器的选择尤为关键,电感即是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路,DC-DC能量转换等,又是仅次于IC的核心元件。

通过选择适当的电感器,能够获得较高的"能"转换效率。在选择电感器时,所使用的主要参数有: 电感值、额定电流、交流电阻、直流电抗等,在这些参数中还包括功率电感器特有的定义。如,定义功率电感器的两种额定电流?Isat 与 rms 两者之间的差异是什么呢?在这里我们对功率电感器的额定电流进行说明。

磁路构造
功率电感器-磁路构造

存在两种额定电流的原因:

功率电感器的两种额定电流,分别具有重要的意义,

  • 基于自我温度上升的额定电流,以元件的发热量为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会导致元件破损及组件故障。
  • 基于电感值的变化率的额定电流,是以电感值的下降程度为指标的额定电流规定,超出该范围使用时可能会由于纹波电流的增加而导致电容或IC控制不稳定。

开磁路与闭磁路构造:

功率电感器的磁路构造分为:开磁路构造与闭磁路构造两种。根据电感器的磁路构造的不同,磁饱和的倾向(即电感值的下降倾向)有所不同。

  • 开磁路类型:电感,随着直流电流的增加,到规定电流值为止呈现比较平坦的电感值,但以规定电流值为境界电感值急剧下降。
  • 闭磁路类型:随着直流电流的增加,透磁率的数值逐渐减少,因此电感值缓慢下降。
磁化曲线与磁滞回线
磁化曲线与磁滞回线

Isat 与 rms 的区别:

Isat 与 Irms 是常见的电感技术术语,常因有些电感的问题,时常将两者混淆,造成工程技术上的错误。

  • Isat:指磁介质的饱和电流,在下图B-H曲线中,是指磁介质达到Bm对应的Hm所需的DC电流量的大小,对于电感,即电感下降到一定比例后的电流大小。
  • Irms:指电感产品的应用额定电流,也称为温升电流,即产品应用时,表面达到一定温度时所对应的DC电流。温升电流Irms=>使电感温度上升20或40度的电流。

励磁电流:

把未磁化的均匀铁磁质(铁磁性和亚铁磁性材料)充满一螺绕环,线圈中通入电流(励磁电流)后,铁磁质就被磁化。根据有介质时的安培环路定理,当励磁电流为I时,环内的磁场强度:H=n*I。

起始磁化曲线:

铁芯中的B由磁通计上的次级线圈测出,这样,通过改变励磁电流,可得到对应的一组B和H的值。磁化强度B将沿“磁化曲线与磁滞回线图”中绿色曲线增加,直至到达磁饱和状态a。当磁化强度到达饱和值Bm时,对应的磁场强度H用Hm表示。绿色曲线称为起始磁化曲线。

矫顽力:

过磁饱和点a后若减小磁化场,磁化曲线从a点开始并不沿原来的起始磁化曲线返回,这表明磁化强度B的变化滞后于H的变化,这种现象称为磁滞。当H减小为零时,M并不为零,而等于剩余磁化强度Br。要使B减到零,必须加一反向磁化场,而当反向磁化场加强到c点时,B才为零,Hr称为矫顽力。

磁滞回线:

当反向磁场继续增加,铁磁质的磁化达到反向饱和。磁化状态将沿曲线d-e-f-a回到正向饱和磁化状态a。d-e-f-a曲线与a-b-c-d曲线也相对于原点O对称。反向磁场减小到零,同样出现剩磁现象。不断地正向或反向缓慢改变磁场,磁化曲线为一闭合曲线,当磁化场由Hm变到-Hm,再从-Hm变到Hm反覆变化时,铁磁质的磁化状态变化经历着由a-b-c-d-e-f-a闭合回线描述的循环过程。曲线a-b-c-d-e-f-a称为磁滞回线。

贴片功率电感线圈概述及相关说明

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