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功率电感介绍和应用指南
发布时间:2019-02-23 15:14:04| 浏览次数:

功率电感在电子设备电压转换应用中扮演越来越重要的角色, 它们用来储存能量,过滤电磁干扰, 同时将信号的损失降到最低。

在任何的电子系统设计中都涉及到电压或者功率的转换, 以适应各用电模块所需要的不同电压,电流或者功率, 如何保证噪声小,信号损耗低, 发热少, 转换效率高,还有根据自身产品的市场定位和竞争性考虑整体设计成本, 是每个电子设计者所必需考虑的.

产品设计者必须深刻理解考虑每一种电感的特性,优缺点, 适用性, 为系统设计选择合适的部件, 以满足整个系统的功能需求并具有成本竞争力.

本介绍和应用指南先从基本的电感参数理论开始, 扩展到应用并和实际设计所需要考量的因素挂钩, 最后加以对比, 概括和总结各种功率电感优缺点和适用性. 务求通过简单通俗的语言给广大电子设计者在功率电感选型方面提供最大帮助. 同时也希望帮助广大奋战在一线的销售和应用工程师为客户提供更好更及时有效的服务.  




首先先从基本的理论开始, 功率电感常用的参数和设计考虑如下:


1

L-Inductance (电感量) 

这是电感最基本的参数. 当电流流过电感线圈时,线圈的周围会产生磁场。当线圈中电流发生变化时(也就是交流),其周围的磁场也产生相应的变化,此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势(感生电动势)来抑制电流的变化. 这种电流与线圈的相互作用关系称为电的感抗,也就是电感.  

电感的单位为亨(H), nH为纳亨, uH 为微亨,mH 为毫亨. 通常带有公差,常见的公差范围在正负 5%到30%左右, 根据不同的产品结构和电感基础值, 电感的公差会不同 (详情可参考Laird电感目录各种电感公差的定义).  

电感这个参数对电路最终的电流输出和纹波噪声级有着决定性作用.  

电子设计中, 电感量不是越大越好, 也不是越小越好, 而要根据需求选择合理的感值. 一般来讲, 电感量越大, 应用频率越低, 反之亦然.  所以越来越多设计者喜欢更高频的电路设计来提升转换效率, 电感量会趋向于更小到甚至纳亨(nH)级别 , 同时通电流能力要提升, 这就催生出一批新型结构的电感设计以满足此大电流和小感值的需求.  


2

DCR - DC Resistance (直流电阻)

     电通过电感的时候,由于线圈的长度和直径会产生阻碍电通过的情况,会产生发热并损耗功率,也就是铜损.降低功率电感器中的电阻DCR是提高电力效率的关键参数。一般来讲, 从功率转换的角度来看,  功率电感的DCR越小越好, 这样损耗最低. 电阻的单位是欧姆(OHM), 电阻较小的时候也可以用毫欧(mOHM)来表示.


3

Rated Current (额定电流) 

     额定电流一般是指允许长期流过电感器的最大可操作电流.  一般的电子线路中也会有突发性的短时通过大电流的需求, 例如机器启停阶段, 电路瞬间跳变阶段, 外界的干扰等等都会引起电流的变化, 所以在考虑电感额定电流时要充分考虑所有变化因素, 以保证电感和整个电子系统能长期可靠工作.  一般来讲, 突发电流会在1.4倍到2倍于原额定电流的范围之内(1.4x to 2.0x).  额定电流的单位是安培(A), 较小的电流也可以用毫安(mA)来表达. 

一般会考虑两种电流定义: Isat (饱和电流) 和 Irms (温升电流) 。


Isat (饱和电流)

Isat (饱和电流) 是定义为施加电流时,使电感值下降大概30%时的电流值(也有少数厂家定义为10%或者20%),Isat越大越好,对应有饱和曲线,客户工程师必然会参考该曲线来衡量电感的饱和特性.  电感必须工作在非饱和区域, 否则电感下降幅度太大,电路参数就会前后级不匹配导致失效甚至有烧板风险. 传统功率电感(例如屏蔽和非屏蔽铁氧体工字电感),当电流大于Isat的时候,电感量会呈现断崖式下降.而新型电感设计(例如一体成型电感, 参考莱尔德MGV系列)会把电感设计成具备”软饱和”特性, 也就是随着电流的增大即使过了Isat这个点, 电感量也只是平缓缓慢下降, 这就最大程度帮助系统安全地应对短时跳变所产生的瞬态高电流而不失效.这种软饱和特性大大加强了电子系统抗风险的能力,深受电子设计者的喜爱,将会是现在和未来的新设计主流.

典型的饱和电流曲线如下:


Irm(温升电流)

Irm(温升电流), 定义为在常温条件下(一般取20摄氏度)施加电流时,使电感温度上升40度时的电流值,越大越好,对应有温升曲线,一般参考该曲线来衡量电感的热稳定性。需要特别注意的是,系统的整体散热能力会对此参数产生影响,一般各家电感厂商都是基于电感焊接在一个特定的PCB板上,在静止的空气中测试温升.但在实际的客户应用环境中,每个电子设计的PCB的线路宽度,厚度,PCB的散热能力, 系统的主动和被动散热能力, 和周边元件的布板密度都不同, 所以建议客户必须要在具体的应用环境中验证电感的温升, 特别是在对比不同家的电感的时候。

典型的温升电流曲线如下:


额定电流

额定电流的定义, 一般取电感的Isat 和 Irms数值较小的一个来作为额定电流.  一般来讲, Irms比Isat要小, 这时候, 取Irms作为额定电流, 那么系统连续工作电流就不宜超过Irms (除非系统有特别散热能力).  也有特殊情况, 比方说电感本身设计的自散热能力比较好, 又或者电感材料和机构设计原因导致的抗饱和能力比较差, 这时候有可能产生Irms大于Isat的现象, 此时, 额定电流应以Isat来定义.  电子设计者必须深刻理解Isat和Irms的定义和实战考量因素, 以选用最适宜的电感方案,提升产品综合竞争力. 

        

4

SRF (Self-Resonant Frequency)

 自谐振频率

自谐振频率,是由于电感器的电感量和自身的分布电容共同作用产生的谐振频率 (如下图所示), 如果电路的工作频率高于电感的自谐振频率,那么电感器就会呈现容性,而不是感性, 通俗来讲, 此时电感已经变成”电容” 了.  在功率转换的应用中,SRF越高,代表电感器可工作的频率更高,一般来讲,设计者选择的电感SRF比电路的频率更高即可。而在滤波的应用中,电感自带的电容特性反而可以被有效利用产生高频滤波效果,此时电感器就相当于一个滤波器,SRF作为一个设计指标可大可小,具体看电路设计所需的通带阻带范围来定义。综上所述,功率转换应用,SRF越大越好,但也不必超出工作频率太多,适可而止防止过度设计带来成本的负担。而滤波应用需要因地制宜选择合适的SRF,单纯追求大与小没有意义。



5

Shielded & unshielded

 (屏蔽电感与非屏蔽电感)

屏蔽电感的定义是,电感器本身产生的电磁场很好地被自身的结构锁定而不外漏,这样对周边的电子元件干扰最小,同时由于自屏蔽结构,对外来的干扰也显现出“免疫”能力,这些特性恰好是电子设计者在电磁兼容性设计(EMC)过程中最喜欢的。同时,减少磁场泄漏也有利于提升系统转换效率,因为泄漏的电磁场碰上周边金属器件会产生涡流效应产生涡流损耗,严重时还会使系统发热异常。再者,屏蔽电感由于自身磁路的封闭而更有效,实现相同的电感量会用到更少的线圈圈数,这意味着DCR相对于非屏蔽电感会更小,系统效率会进一步提升。

反之,非屏蔽电感,对外有漏磁,自身抗干扰能力较差,在EMC设计方面会越来越不受欢迎。但是,有经验的硬件设计者反而会充分利用漏磁特性,涉及多路电感设计的时候,特意利用各电感之间的漏磁来耦合产生互感,在一些特定的应用例如多相电源供电的设计中,通过合理设计的漏感和互感,反而可以改善系统纹波并提升转换效率。

还有一个必须考虑的因素,就是抗饱和能力。比方说,屏蔽电感器和非屏蔽电感器,在尺寸相当的条件下如果被设计成DCR一样,这时屏蔽电感会呈现出更高的初始感值,但是此感值在电流通过的时候更容易下降,也就是通俗地说屏蔽电感“更不耐偏流”或者“更容易饱和”。  

所以,综上所述,屏蔽与非屏蔽只是一个相对的概念,并不能说明谁好谁不好。从EMC的角度看,肯定是屏蔽的好,这是EMC工程师所推崇的。但是从功率转换的角度看,电子硬件工程师会因地制宜选择合适的电感,屏蔽与非屏蔽都有施展身手的空间。从成本的角度看,采购工程师更喜欢非屏蔽的电感,因为少了一层屏蔽,结构简单好生产,造价低。所以这是个综合选择的概念,必须要从根本上理解屏蔽非屏蔽的特性和优缺点,结合自身产品的需求,市场定位作出综合判断和选择,在性能,EMC, 成本各方面取得综合平衡。


接着, 讲一下功率电感的应用, 主要分两种:

  1. 低通滤波(Low-pass filtering)和传导型的EMI噪声抑制 (Conducted noise filtering)

  2. 直流变换电路中的储能 (Energy storage in DCDC converter) 


滤波应用

第一种的滤波应用,参考如下图示,功率电感和电容组合形成低通滤波器可消除差模干扰噪音,另外,功率电感自身也可以设计成在特定的高频区域具备一定的差模噪音吸收效应(类似于磁珠的吸收效应),整体提升系统的抗干扰能力。


储能应用

第二种是储能应用,分为Buck(降压电路),Boost(升压电路)和Buck-Boost(升降压电路)。此时电感器利用自身抵抗电流变化的特性(感抗)来实现电路的储能和能量释放,以实现电路电压的可升可降。

  

 


最后讲一下常用功率电感的种类和应用场景。


非屏蔽电感

下图所示的是常用的工字型非屏蔽电感,在一个“工”字结构的铁氧体磁芯上绕线可实现直插脚封装(THT)或者贴片封装(SMD)。 优点是耐偏流能力比较强,可选择的电感量范围比较宽广,一般提供从微亨到毫亨级别,结构简单,造价便宜。缺点是线圈没有被磁芯全包围,有电磁泄露影响周边元件,同时自身的抗干扰能力较差,而且因为线圈只靠绕线的张力固定在磁芯中柱,在一些KHz的开关应用当中,有可能产生低频蜂鸣噪声。所以在一些布板空间比较大的应用,元件相对没有那么密集,应用频率较低而且对噪声不是特别敏感的电子产品中还有非常广泛的应用,例如一般消费电子如打印机,家电等等应用。也有设计者特意利用其漏磁特性,配对组合形成互感耦合加强滤波效果而且可以降低成本。详情可参考Laird IPB或者IPUD类型的功率电感。



磁粉胶屏蔽型工字电感

如下图所示,依然是“工”字型的铁氧体磁芯结构,只是绕线后外加磁粉胶屏蔽,只提供SMD的贴片封装。优点是自屏蔽,可选择的电感量范围也比较广,一般提供从一微亨到几百微亨的感量范围,而且从上料到包装实现全自动化生产,结构简单造价便宜。缺点是抗偏流能力相对于非屏蔽电感和新型的一体成型模压电感来说要差一点,而且较大尺寸不好实现自动化生产,所以尺寸范围一般最大到8x8毫米,所以没法匹配毫亨级别的应用。适用于绝大多数的电子产品,主要以滤波应用为主,也有部分储能应用。常见的打印机,家电,投影仪,音响,手机,平板,笔记本电脑,工业装备,甚至汽车电子的LED大灯驱动器,USB供电,车身控制等等场合都可以见到此类电感的身影。详情可参考莱尔德TYS系列电感规格。


新型的一体成型模压电感

结构如下图所示,线圈卷绕之后通过机械压的方法把特定调配的粉料(铁粉或者合金粉类)和线圈一起压合形成一个电感,只提供SMD的贴片封装。  优点是自屏蔽,也可实现全自动化生产。因为是一体成型的,空间利用率最高,粉料里里外外填满线圈,而且比较结实,抗震动,可靠性高。而且因为是分布式气隙的结构,抗偏流能力特别强,应用电流从几安培到几十安培甚至到上百安培,也可以做到低高度。缺点是受粉料的磁导率限制和分布式的气隙结构导致可选择的感值范围不广,一般在0.1微亨到100微亨范围,而且较大尺寸的电感生产成本相对要高一点。主要应用以中高频应用为主,特别是对可靠性要求比较高的电子产品,例如汽车电子,手机,电信设备等等。





总结:功率电感的选型虽然不是很高深的学问,但是其在功率电路的应用中扮演关键的角色,对系统EMC, 电路转换效率,系统发热, 稳定性可靠性各方面都有重要影响,电子从业者必须深刻理解电感的各项参数和应用,系统地选择合适的电感,以提升产品的市场竞争力。电子设计日益趋于小型化,高功率密度,高集成,和高频率化,催生出越来越多新型的电感设计不断颠覆着旧有的设计理念,但也不代表传统电感已经日落西山,传统电感往往在批量制造,自动化产业化方面具备天然的优势,特别在成本竞争方面。  电感产业绝对是一个百花齐放的产业,不断地推陈出新颠覆旧的设计理念,而传统产品也在不断优化改良提升成本竞争力,这是电子设计从业者所喜闻乐见的,一个完美的电感设计往往是追求综合的平衡,以适用于所定位的市场和客户群,过犹不及,恰到好处即可。同时,市场和客户的需求也是不断往前发展的,不同的时代对完美电感的设计标准也会不同,电感从业者也必须与时俱进,跟上市场和客户的节奏,适时推出合适的产品,为电子化和信息化的社会新形态作出贡献。



 
 
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