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最適合開關電源的電容與電感

電源電路的探討事項

電感篇 -其3-

Keyword
  • 直流疊加額定電流
  • 溫度上升額定電流
  • 飽和額定電流

-此前請您介紹了電感的規格與特性特長。接下來請您介紹一下這些特性對電源電路有怎樣的影響。

好的。首先,先介紹一下作為重要特性而說明的直流疊加額定電流和溫度上升額定電流,與降壓轉換器的輸出電流是什麼關係。請看下圖。

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直流疊加額定電流也被稱為飽和額定電流。即波形圖中藍色線所示的電感的峰值電流。此前提過幾次,當峰值電流超過直流疊加額定電流的最大值時,電感產生磁飽和,電感值減少。電感如果飽和,電感的峰值電流異常變大,導致效率下降或異常工作,甚至可能致使電源IC被破壞。

溫度上升額定電流也可以說是流經電感的電流和電阻成分帶來的發熱的額定值。在波形圖中,紅色所示的輸出DC電流與粉色所示的三角波實效電流的合計即為溫度上升額定電流。乘以電感的電阻量即為損耗功率,體現為發熱。順便提一下,三角波實效電流為峰值電流的1/√3,這部分成為AC損耗。當流過比溫度上升額定電流大的電流時,發熱增加,可能不僅使電感的可靠性下降,還使週邊元件的可靠性下降。另外,達到無法額定的發熱水平時,可能引起線纜的絕緣不良,導致燒損。

-能請您再稍微具體介紹一下峰值電流超過直流疊加額定電流值時的現象嗎?

有實際的波形資料,請看這個圖。

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這是使用三種特性不同的電感的降壓型轉換器資料。左上為相對於輸出電流的效率,從圖中可知,負載為500mA時沒有什麼差別,但1500mA時藍色的電感效率比其他的要低。

左下的波形為相對於輸出電流的電感值變化,藍色電感的電感值在負載超過1000mA時急劇下降。也就是說該電感達到飽和狀態。

右側為電感電流的波形。右上為負載500mA時效率沒有什麼差異的狀態下的波形,波形無特殊差異,正常。

右下為負載1500mA時的波形,飽和的藍色電感的波形波動明顯,峰值電流也增加。這是飽和導致電感值下降,從而導致峰值電流增加,進而電感值進一步下降,進一步流過電流的失控狀態。

-也就是說,當出現因負載電流增加導致效率低於預期的症狀時,確認電感電流的波形也是方法之一吧。

基本上在DC/DC轉換器的評估階段這是必須的確認專案,當觀察到類似這樣的波形異常時,或峰值電流明顯超出計算值時,可以懷疑電感的飽和。順便說一下,前面提到的鼓套型電感會急劇飽和,因此具有容易失控的性質,而樹脂型電感的飽和相對緩和,可以說不易引起失控。

-明白了。接下來是有關溫度上升額定電流的,能請您詳細介紹一下電感損耗嗎?

剛才探討了輸出電流的DC電流與電感AC電流的實效電流、以及電感的電阻。基本上就是如前所述,應該考慮AC電流的AC損耗與DC電流的DC損耗兩方面,但電感的DC電阻Rdc與AC電阻Rac不同,需要同時考慮到Rac是因頻率而變動的。

該圖表示某電感的電阻及電阻與頻率的關係。綠線為電阻。Rdc是頻率為零時的值。與之相比,Rac隨頻率提高而增加,一般開關式穩壓器的開關頻段–幾百kHz到幾百萬Hz的Rac為Rdc的幾倍到幾十倍。

-也就是說,AC損耗即使電流較小也可產生較大損耗對吧。而開關頻率高時更是這樣吧。

的確如此。負載電流的大小不同,損耗的主體也有很大不同。看圖更容易理解。

電感的損耗功率如上述公式所示,為DC損耗功率+AC損耗功率。首先看負載較輕狀態,輸出電流小因此DC損耗少,AC成分占主導因而AC損耗占主導地位。相反,負載較重的狀態,即輸出電流較大的狀態下,DC電流占主導。

另外,請看下面的資料。這是相同DC/DC轉換器電路,使用電感值相同但結構、尺寸、及額定電流不同的電感時的負載-效率特性比較,以及各電感的Rac頻率特性。

在負載較大的區域,電感的Rdc帶來的DC損耗占主導地位。而在輕負載區域,Rac帶來的AC損耗占主導地位。在此希望大家關注的是,根據電感的種類,Rdc、Rac均有波動,尤其Rac的波動較大。

從效率圖可以讀取到的是,輕負載時的效率差較大,因而Rac差較大。此外,從Rac圖可知,Rac本身存在相當大的波動。縱軸為對數,因此粉色線電感與藍色線電感相差幾倍。

-通過您的介紹我明白了AC損耗在低負載時占主導地位,不同電感種類的波動較大,這會產生什麼問題嗎?

例如,像智慧行動電話一樣待機狀態較長的裝置,其工作時間多為待機狀態,負載電流即DC電流非常小。也就是說,AC損耗處於主導狀態,電流儘管微小,但也產生相應的損耗。那麼這類裝置如果使用Rac較大的電感會怎樣呢?

-待機時間變短,電池的壽命可能會受影響。

是啊!電源是電池,因此應該先降低待機時的損耗。如果設計人員不瞭解電感的這些特性而選用了Rac較大的電感,則電池驅動的可攜式裝置可能無法實現預期的工作時間。待機狀態較長的電池裝置,Rac小這一點是非常重要的。

-也就是說電感選型時,不僅僅關注電感損耗導致的發熱,還要瞭解損耗因素與特性,這是非常重要的。不過,您此前介紹的電感的規格中,出現過Rdc,但沒有Rac。

絕大多數規格值表中都沒有Rac這項,相對官網上也很少有提供這項資料的。需要Rac資訊時,請諮詢相對製造商。

什麼是最適合開關電源的電容和電感 電感篇 -1-

什麼是最適合開關電源的電容和電感 電感篇 -2-

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