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什麼是最適合開關電源的電容和電感

解讀電感的規格與等效電路

電感篇 -1-

Keyword
  • 電感
  • 功率電感
  • 電感規格
  • 標稱電感
  • 本身的共振頻率
  • 直流電阻
  • 額定電流
  • 直流重畳額定電流
  • 溫度上升額定電流
  • 電感等效電路
  • 寄生成分
  • 直流電阻
  • 銅損
  • 鐡損
  • 絕緣電阻
  • 線間容量
  • 電感Q
  • 共振點

-由於標題是「何謂最適合切換電源的電容和電感」,之前請教了電容的各種情況,從現在開始我想請教關於電感的問題。
架構開關電源時,我想電感是重要零件之一,可是據說包含電感在內的磁氣零件並不容易理解。

的確,有不少人對磁氣零件感到棘手。儘管如此,目前開關電源依舊是必須的項目,而且無可避免。在這裡,我想加深大家對電感的理解並給予答覆。

-那麼,麻煩您告訴我應該從哪裡著手才好?

基本上,我想先說明電感規格的看法。一開始想先敘述的是,即便規格項目相同,其規定條件也經常會因產品或廠商而異。同様的,針對相同的規格項目,有的廠商保證最大値(Max.)或最小値(Min.),有的廠商則只提示Typical値(typ/代表値/標準値),方式不一。因此,在選擇電感或比較檢討類似產品時必須注意。

-也就是說,必須詳細確認規定條件囉?

沒錯。請務必記得,倘若只比較廠商提示的數値,有時會有大麻煩發生。那麼,我們就來具體觀察一下。下表是本公司的精選型錄。

TY-2-1_table1

標稱電感不用說當然是必須項目。測量頻率如最後列所示為100kHz,額定差為±30%。

自我共振頻率為以電感身分作用的界限頻率。這裡可以保證最小値,顯示可以一直作用到最低限記載的頻率。

直流電阻主要為線圈的電阻,顯示了±20%額定差的條件。

額定電流是應該仔細確認條件的項目之一。直流重畳額定電流是規定項目之一,在直流重疊情況下顯示電感為-30%的電流最大値。視廠商/產品而定,條件在-10%~-30%左右。

另一個被規定的額定電流是溫度上升額定電流。規定了直流電流外加時溫度上升為40℃的電流最大値,這也視廠商/產品而定,條件在20℃~40℃左右。

關於額定電流,還有另一個留意點。不論哪一家廠商/哪一項產品皆未必都有提示直流重畳額定電流和溫度上升額定電流。一般來說,如果只提示其中一個時,可以從額定的觀點根據小的一方來思考規定,不過為了慎重起見也可以向廠商確認。

額定電流是重要的項目,我再稍微詳細説明。下圖是直流重畳和溫度上升的特性及最大値、typ値、界限的關係。

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以直流重畳額定電流為例來說明。思考方法也與溫度上升額定電流相同。此例中的直流重疊額定電流被規定為使直流電流増加、電感-30%,也就是降低30%時的電流。雖然不局限於電感,不過個體間必定會有値的變異。typ値是變異中的代表性數値。保證値規定了額定的最大値及/或最小値,因此對typ値將會是有界限的値。實測顯示,雖然多數為接近typ値的值,不過其中也包含了接近最大値、最小値的個體。

只要看typ和最大値/最小値想必可以知道界限有多少。此外,若核對特性和規定條件,想必也可以看見規定的依據條件是鬆或是緊。

-對了,為什麼在產品或廠商間會有特性相同但規定條件不同的情況呢?

理由方面雖然無法以一概全,不過針對應用電路的性能要求或安全確保等,我認為有條件合不合適、各廠商思考方式不同等因素。當然,產品性能、特性、品質、信頼性的等級設定、以及價格等要件也是有關係的。

-還有其他需要事先確認的事項嗎?

除了理解規格之外,為了理解電感的基本特性,也必須事先知道等效電路及各成分。在電容時已經敘述了ESR或ESL等寄生成分及其影響,而電感也同樣有寄生成分。

以等效電路來作說明。Rdc主要為線圈的直流電阻,也被稱為銅損。這是與電感串聯的成分。Rac主要為基材﹙core﹚的損失,也被稱為鐵損。如同以容量和電阻所顯示的,具有頻率特性。頻率高則電感降低,損失會增加。絕緣電阻將成為符合漏電流的直流電阻。線圈因被氨基鉀酸酯等絕緣而變成夾住絕緣體的導體,亦即與電容相同構造,故產生容量。此線間容量為主要容量,對共振點有極大影響。

Q為顯示電感性能的指標,係X(= ωL)除以R(Rac)之値,表示對頻率有多少損失。我想從公式可以知道,Q在R(Rac/鐵損)小時會變大。

使用頻率及電阻/impedance的圖形來表示電感的基本特性。以6mm角、高2mm的4.7µF電感為例。紅線是Rac/鐵損,藍是電阻、綠是X(ωL)。

如方才所説明的,由於具備容量,因此有共振點。綠線的X在共振點以降的頻率代表電容主體的特性,頻率越上升電阻就越下降。Rac在頻率上升時會增加。Rdc將變成直流(零Hz)時的Rac。

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這是某電感的特性,不過請事先記得,這些寄生成分會因電感的材料或構造而有所變化。

-那麼,掌握了基本之後,接下來我想詢問有關電源用電感的種類。

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