"Para elegir lo correcto Inductor, es necesario comprender completamente el rendimiento del inductor y cómo el interno deseado circuito el desempeño está relacionado con la información en la hoja de datos del proveedor. Este artículo explica el catálogo de inductores y las especificaciones importantes de los inductores para expertos y no profesionales con experiencia en conversión de energía.
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Para elegir el inductor correcto, es necesario comprender completamente el rendimiento del inductor y cómo el rendimiento del circuito interno deseado se relaciona con la información en la hoja de datos del proveedor. Este artículo explica el catálogo de inductores y las especificaciones importantes de los inductores para expertos y no profesionales con experiencia en conversión de energía.
introducir
El uso de convertidores DC-DC es cada vez más común. A medida que los sistemas electrónicos se han vuelto más pequeños, más móviles, más complejos y más populares, los requisitos de energía se han diversificado. La batería disponible voltaje, los requisitos de voltaje, tamaño y forma de operación requeridos cambian constantemente, lo que hace que los diseñadores de equipos necesiten encontrar constantemente nuevas formas de resolver el problema de conversión de energía. Los requisitos del producto a menudo deben cumplirse mejorando el rendimiento y reduciendo el tamaño, por lo que la optimización se vuelve muy importante. Para la conversión de energía, no todas las aplicaciones pueden ser de “talla única”. Por ejemplo, muchas aplicaciones prácticas requieren el uso de componentes delgados como la Figura 1.
Figura 1: Diseñando una delgada y liviana convertidor requiere el uso de inductores delgados
Además del creciente mercado de compras al por mayor de convertidores, muchos diseñadores de circuitos ahora también diseñan sus propios circuitos de conversión CC-CC en lugar de depender de las empresas de suministro de energía, por lo que más diseñadores de circuitos pueden elegir sus propios componentes. El circuito básico de conversión CC-CC es un sistema muy maduro. la tecnología y todavía se está desarrollando lentamente. Por lo tanto, los autores profesionales pueden escribir materiales prácticos de diseño auxiliar y los diseñadores de equipos pueden utilizar estos materiales para diseñar sus propios convertidores. Algunos programas fácilmente disponibles también pueden simplificar el proceso de estos diseños1.
Después de determinar la topología del circuito, una de las tareas clave del diseño es seleccionar los componentes. Muchos programas de diseño de circuitos pueden enumerar los valores de parámetros de componentes requeridos. En este momento, el diseñador debe comenzar por determinar el valor de inductancia requerido y finalmente seleccionar un componente del rango disponible para realizar el trabajo. Los inductores utilizados en los convertidores CC-CC vienen en varias formas y tamaños. Las figuras 2 y 3 muestran dos de ellos. Para comparar diferentes tipos y seleccionar los componentes apropiados para una aplicación específica, los diseñadores deben comprender correctamente las especificaciones publicadas para estos inductores.
Figura 2: Inductor de núcleo de hierro en forma de E enrollado con alambre plano
Figura 3: Inductor moldeado blindado magnéticamente con estructura resistente para circuitos de alta densidad
Requisitos del convertidor CC-CC
En resumen, la función del convertidor CC-CC es proporcionar un voltaje de salida CC estable bajo un voltaje de entrada dado. Para ajustar el voltaje de salida de CC sin exceder un rango de corriente de carga y / o un rango de voltaje de entrada dado, generalmente se requiere un convertidor. Idealmente, la salida de CC es "pura", es decir, la corriente de ondulación o el voltaje de ondulación se controlan dentro de un nivel especificado. Además, el proceso de transferencia de energía desde la fuente de energía a la carga también debe alcanzar un nivel de eficiencia específico. Para lograr estos objetivos, la selección de inductores de potencia es un paso importante.
Parámetros del inductor de potencia
El rendimiento de la inductancia se puede explicar mediante varios números. La Tabla 1 es una hoja de datos de inductancia típica. Estos datos describen un inductor de potencia de montaje en superficie utilizado en un convertidor CC-CC.
Tabla 1: Extracto del catálogo de inductores típicos 2 
una. El valor de inductancia se mide a 1 MHz y 0.1 Vrms.
B. Isat es el valor típico cuando el valor de inductancia cae en un 30%
C. Irms es el valor típico cuando se provoca un aumento de temperatura de 40 ℃
D. Todos los parámetros se miden a 25 ℃
definición
L ― Valor de inductancia: Los principales parámetros funcionales del inductor, calculados por la fórmula de diseño del convertidor, se utilizan para determinar la capacidad del inductor para manejar la potencia de salida y controlar la corriente de ondulación.
Resistencia DCR-DC: La resistencia del componente depende de la longitud y el diámetro del devanado de alambre de cobre utilizado.
SRF-frecuencia auto-resonante: el punto de frecuencia en el que el valor de inductancia de la bobina del inductor resuena con su capacitancia distribuida.
Isat ― Corriente de saturación: La corriente que hace que el núcleo de hierro se sature al pasar por el inductor, provocando una caída del valor de inductancia.
Corriente cuadrática media de Irms-Root: La corriente que pasa continuamente a través del inductor y causa el aumento de temperatura máximo permitido.
Para usar las calificaciones correctamente, debe comprender cómo se derivan. Dado que la hoja de datos no puede mostrar el rendimiento en todas las condiciones de trabajo, es necesario comprender cómo cambian las calificaciones en diferentes condiciones de trabajo.
Valor de inductancia (L)
El valor de inductancia es el parámetro principal para realizar la función requerida del circuito, y también es el primer parámetro que se calcula en la mayoría de los procesos de diseño. Este valor se calcula con base en el estándar de proporcionar una cierta capacidad mínima de almacenamiento de energía (o capacidad voltio-microsegundo) y reducir la ondulación de la corriente de salida. Si el valor de inductancia utilizado es menor que el resultado calculado, la ondulación de CA de la salida de CC aumentará. El uso de valores de inductancia demasiado grandes o demasiado pequeños puede obligar al convertidor a cambiar entre los modos de funcionamiento continuo y discontinuo.
tolerancia
La mayoría de las aplicaciones de convertidores DC-DC no tienen requisitos particularmente estrictos para las tolerancias de inductancia. Para la mayoría de los componentes, elegir productos de tolerancia estándar es rentable y puede cumplir con los requisitos de la mayoría de los convertidores. La tolerancia de inductancia de la Tabla 1 es de ± 20%, lo que es adecuado para la mayoría de los convertidores.
Condiciónes de la prueba
■ Voltaje. El valor nominal de la inductancia debe indicar la frecuencia y el voltaje de prueba utilizados. La mayoría de los valores de inductancia clasificados en el catálogo se basan en voltajes sinusoidales “pequeños”. Para los proveedores de inductores, este es el método más fácil de implementar y más conveniente para aplicaciones repetidas, y es adecuado para derivar valores de inductancia para la mayoría de las aplicaciones.
■ Forma de onda. El voltaje sinusoidal es una condición de prueba estándar del instrumento, por lo general, puede garantizar que el valor de inductancia obtenido coincida con el valor de inductancia calculado por la fórmula de diseño.
■ Prueba de frecuencia. La mayoría de los inductores de potencia no cambian mucho dentro del rango de 20 kHz a 500 kHz, por lo que el enfoque más apropiado y comúnmente utilizado es utilizar una clasificación basada en 100 kHz. Debe recordarse que a medida que aumenta la frecuencia, el valor de inductancia eventualmente disminuirá. La razón de este fenómeno puede provenir de las características de caída de frecuencia del material del núcleo de hierro utilizado, o puede provenir de la resonancia de la inductancia de la bobina y su capacitancia distribuida. Dado que la mayoría de los convertidores funcionan en el rango de 50 kHz a 500 kHz, 100 kHz es una frecuencia de prueba estándar adecuada. Cuando la frecuencia de conmutación aumenta a 500 kHz, 1 MHz y más, es aún más importante considerar el uso de valores nominales basados en la frecuencia de aplicación real.
resistencia
Resistencia DC (DCR)
DCR es solo una medida del cable de cobre utilizado en el inductor, estrictamente basado en el diámetro y la longitud del cable de cobre. El valor especificado en el catálogo suele ser el "valor máximo", pero también se puede especificar un valor nominal con tolerancia. El segundo método puede ser más instructivo al dar el valor nominal o la resistencia esperada, pero al mismo tiempo puede ajustar innecesariamente las especificaciones, porque la resistencia del producto es demasiado pequeña y siempre no hay daño.
Al igual que la resistividad de los materiales de las bobinas que suelen ser de cobre, la DCR también cambia con la temperatura. La clasificación DCR debe considerar la temperatura de prueba ambiental, que es muy importante. El coeficiente de temperatura de resistencia del cobre es de aproximadamente + 0.4% por grado Celsius3. Por lo tanto, el producto que se muestra con una clasificación máxima de 0.009 ohmios tiene una clasificación máxima correspondiente de 0.011 ohmios a 85 ° C, que está a solo 2 miliohmios de distancia, pero el cambio total es del 25%. La relación entre la DCR esperada y la temperatura se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Basado en la resistencia de CC esperada de 0.009Ω máx. A 25 ° C
Resistencia AC
Este parámetro generalmente no se indica en la hoja de datos de inductancia, y generalmente no es un problema a considerar a menos que el componente de CA de la frecuencia o corriente de operación sea mayor que el componente de CC.
Debido al efecto piel, la resistencia de la mayoría de las bobinas de inductancia aumenta a medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento. Si la corriente alterna o de ondulación es pequeña en relación con la corriente media o corriente continua, entonces la DCR es una buena medida de la pérdida de resistencia. El efecto de piel varía con el diámetro y la frecuencia del alambre de cobre3. Por lo tanto, para incluir estos datos, es necesario proporcionar la curva de frecuencia completa de cada inductor enumerado en el catálogo.
Figura 5: Resistencia de CA / resistencia de CC de alambre de cobre redondo de calibre 22 de alambre americano
Esto es innecesario para la mayoría de las aplicaciones por debajo de 500 kHz. Puede verse en la Figura 5 que a frecuencias por debajo de aproximadamente 200 kHz, la resistencia de CA no se puede comparar con la resistencia de CC. Incluso por encima de esta frecuencia, si la corriente CA no es mayor que el componente CC, la resistencia CA no representa un problema. Sin embargo, si la frecuencia es superior a 200-300 kHz, el enfoque recomendado es solicitar al proveedor información sobre la relación entre la pérdida y la frecuencia como complemento de la información publicada.
Si desea minimizar el tamaño de los componentes, los diseñadores deben elegir componentes con la mayor resistencia posible. En circunstancias normales, reducir la DCR significa que deben usarse cables de cobre más gruesos y el tamaño total puede ser mayor. Por lo tanto, la optimización de la selección de DCR es una compensación entre la eficiencia energética, la caída de voltaje permitida del componente y el tamaño del componente.
Para elegir el inductor correcto, es necesario comprender completamente el rendimiento del inductor y cómo el rendimiento del circuito interno deseado se relaciona con la información en la hoja de datos del proveedor. Este artículo explica el catálogo de inductores y las especificaciones importantes de los inductores para expertos y no profesionales con experiencia en conversión de energía.
introducir
El uso de convertidores DC-DC es cada vez más común. A medida que los sistemas electrónicos se han vuelto más pequeños, más móviles, más complejos y más populares, los requisitos de energía se han diversificado. El voltaje disponible de la batería, el voltaje operativo requerido, los requisitos de tamaño y forma cambian constantemente, lo que hace que los diseñadores de equipos necesiten encontrar constantemente nuevas formas de resolver el problema de conversión de energía. Los requisitos del producto a menudo deben cumplirse mejorando el rendimiento y reduciendo el tamaño, por lo que la optimización se vuelve muy importante. Para la conversión de energía, no todas las aplicaciones pueden ser de “talla única”. Por ejemplo, muchas aplicaciones prácticas requieren el uso de componentes delgados como la Figura 1.
Figura 1: Diseñar un convertidor delgado y liviano requiere el uso de inductores delgados
Además del creciente mercado de compras a granel de convertidores, muchos diseñadores de circuitos ahora también diseñan sus propios circuitos de conversión CC-CC en lugar de depender de las empresas de suministro de energía, por lo que más diseñadores de circuitos pueden elegir sus propios componentes. El circuito de conversión CC-CC básico es una tecnología muy madura y aún se está desarrollando lentamente. Por lo tanto, los autores profesionales pueden escribir materiales de diseño auxiliares prácticos y los diseñadores de equipos pueden utilizar estos materiales para diseñar sus propios convertidores. Algún software fácilmente disponible también puede simplificar el proceso de estos diseños1.
Después de determinar la topología del circuito, una de las tareas clave del diseño es seleccionar los componentes. Muchos programas de diseño de circuitos pueden enumerar los valores de parámetros de componentes requeridos. En este momento, el diseñador debe comenzar por determinar el valor de inductancia requerido y finalmente seleccionar un componente del rango disponible para realizar el trabajo. Los inductores utilizados en los convertidores CC-CC vienen en varias formas y tamaños. Las figuras 2 y 3 muestran dos de ellos. Para comparar diferentes tipos y seleccionar los componentes apropiados para una aplicación específica, los diseñadores deben comprender correctamente las especificaciones publicadas para estos inductores.
Figura 2: Inductor de núcleo de hierro en forma de E enrollado con alambre plano
Figura 3: Inductor moldeado blindado magnéticamente con estructura resistente para circuitos de alta densidad
Requisitos del convertidor CC-CC
En resumen, la función del convertidor CC-CC es proporcionar un voltaje de salida CC estable bajo un voltaje de entrada dado. Para ajustar el voltaje de salida de CC sin exceder un rango de corriente de carga y / o un rango de voltaje de entrada dado, generalmente se requiere un convertidor. Idealmente, la salida de CC es "pura", es decir, la corriente de ondulación o el voltaje de ondulación se controlan dentro de un nivel especificado. Además, el proceso de transferencia de energía desde la fuente de energía a la carga también debe alcanzar un nivel específico de eficiencia. Para lograr estos objetivos, la selección de inductores de potencia es un paso importante.
Parámetros del inductor de potencia
El rendimiento de la inductancia se puede explicar mediante varios números. La Tabla 1 es una hoja de datos de inductancia típica. Estos datos describen un inductor de potencia de montaje en superficie utilizado en un convertidor CC-CC.
Tabla 1: Extracto del catálogo de inductores típicos 2 
una. El valor de inductancia se mide a 1 MHz y 0.1 Vrms.
B. Isat es el valor típico cuando el valor de inductancia cae en un 30%
C. Irms es el valor típico cuando se provoca un aumento de temperatura de 40 ℃
D. Todos los parámetros se miden a 25 ℃
definición
L ― Valor de inductancia: Los principales parámetros funcionales del inductor, calculados por la fórmula de diseño del convertidor, se utilizan para determinar la capacidad del inductor para manejar la potencia de salida y controlar la corriente de ondulación.
Resistencia DCR-DC: La resistencia del componente depende de la longitud y el diámetro del devanado de alambre de cobre utilizado.
SRF-frecuencia auto-resonante: el punto de frecuencia en el que el valor de inductancia de la bobina del inductor resuena con su capacitancia distribuida.
Isat ― Corriente de saturación: La corriente que hace que el núcleo de hierro se sature al pasar por el inductor, provocando una caída del valor de inductancia.
Corriente cuadrática media de Irms-Root: La corriente que pasa continuamente a través del inductor y causa el aumento de temperatura máximo permitido.
Para usar las calificaciones correctamente, debe comprender cómo se derivan. Dado que la hoja de datos no puede mostrar el rendimiento en todas las condiciones de trabajo, es necesario comprender cómo cambian las calificaciones en diferentes condiciones de trabajo.
Valor de inductancia (L)
El valor de inductancia es el parámetro principal para realizar la función requerida del circuito, y también es el primer parámetro que se calcula en la mayoría de los procesos de diseño. Este valor se calcula con base en el estándar de proporcionar una cierta capacidad mínima de almacenamiento de energía (o capacidad voltio-microsegundo) y reducir la ondulación de la corriente de salida. Si el valor de inductancia utilizado es menor que el resultado calculado, la ondulación de CA de la salida de CC aumentará. El uso de un valor de inductancia demasiado grande o demasiado pequeño puede obligar al convertidor a cambiar entre los modos de funcionamiento continuo y discontinuo.
tolerancia
La mayoría de las aplicaciones de convertidores DC-DC no tienen requisitos particularmente estrictos para las tolerancias de inductancia. Para la mayoría de los componentes, elegir productos de tolerancia estándar es rentable y puede cumplir con los requisitos de la mayoría de los convertidores. La tolerancia de inductancia de la Tabla 1 es de ± 20%, lo que es adecuado para la mayoría de los convertidores.
Condiciónes de la prueba
■ Voltaje. El valor nominal de la inductancia debe indicar la frecuencia y el voltaje de prueba utilizados. La mayoría de los valores de inductancia clasificados en el catálogo se basan en voltajes sinusoidales “pequeños”. Para los proveedores de inductores, este es el método más fácil de implementar y más conveniente para aplicaciones repetidas, y es adecuado para derivar valores de inductancia para la mayoría de las aplicaciones.
■ Forma de onda. El voltaje sinusoidal es una condición de prueba estándar del instrumento, por lo general, puede garantizar que el valor de inductancia obtenido coincida con el valor de inductancia calculado por la fórmula de diseño.
■ Prueba de frecuencia. La mayoría de los inductores de potencia no cambian mucho dentro del rango de 20 kHz a 500 kHz, por lo que el enfoque más apropiado y comúnmente utilizado es utilizar una clasificación basada en 100 kHz. Debe recordarse que a medida que aumenta la frecuencia, el valor de inductancia eventualmente disminuirá. La razón de este fenómeno puede provenir de las características de caída de frecuencia del material del núcleo de hierro utilizado, o puede provenir de la resonancia de la inductancia de la bobina y su capacitancia distribuida. Dado que la mayoría de los convertidores funcionan en el rango de 50 kHz a 500 kHz, 100 kHz es una frecuencia de prueba estándar adecuada. Cuando la frecuencia de conmutación aumenta a 500 kHz, 1 MHz y más, es aún más importante considerar el uso de valores nominales basados en la frecuencia de aplicación real.
resistencia
Resistencia DC (DCR)
DCR es solo una medida del cable de cobre utilizado en el inductor, estrictamente basado en el diámetro y la longitud del cable de cobre. El valor especificado en el catálogo suele ser el "valor máximo", pero también se puede especificar un valor nominal con tolerancia. El segundo método puede ser más instructivo al dar el valor nominal o la resistencia esperada, pero al mismo tiempo puede ajustar las especificaciones innecesariamente, porque la resistencia del producto es demasiado pequeña y no hay daño.
Al igual que la resistividad de los materiales de las bobinas que suelen ser de cobre, la DCR también cambia con la temperatura. La clasificación DCR debe considerar la temperatura de prueba ambiental, que es muy importante. El coeficiente de temperatura de resistencia del cobre es de aproximadamente + 0.4% por grado Celsius3. Por lo tanto, el producto que se muestra con una clasificación máxima de 0.009 ohmios tiene una clasificación máxima correspondiente de 0.011 ohmios a 85 ° C, que está a solo 2 miliohmios de distancia, pero el cambio total es del 25%. La relación entre la DCR esperada y la temperatura se muestra en la Figura 4.
Figura 4: Basado en la resistencia de CC esperada de 0.009Ω máx. A 25 ° C
Resistencia AC
Este parámetro generalmente no se indica en la hoja de datos de inductancia, y generalmente no es un problema a considerar a menos que el componente de CA de la frecuencia o corriente de operación sea mayor que el componente de CC.
Debido al efecto piel, la resistencia de la mayoría de las bobinas de inductancia aumenta a medida que aumenta la frecuencia de funcionamiento. Si la corriente alterna o de ondulación es pequeña en relación con la corriente media o corriente continua, entonces la DCR es una buena medida de la pérdida de resistencia. El efecto de piel varía con el diámetro y la frecuencia del alambre de cobre3. Por lo tanto, para incluir estos datos, es necesario proporcionar la curva de frecuencia completa de cada inductor enumerado en el catálogo.
Figura 5: Resistencia de CA / resistencia de CC de alambre de cobre redondo de calibre 22 de alambre americano
Esto es innecesario para la mayoría de las aplicaciones por debajo de 500 kHz. Puede verse en la Figura 5 que a frecuencias por debajo de aproximadamente 200 kHz, la resistencia de CA no se puede comparar con la resistencia de CC. Incluso por encima de esta frecuencia, si la corriente CA no es mayor que el componente CC, la resistencia CA no representa un problema. Sin embargo, si la frecuencia es superior a 200-300 kHz, el enfoque recomendado es solicitar al proveedor información sobre la relación entre la pérdida y la frecuencia como complemento de la información publicada.
Si desea minimizar el tamaño de los componentes, los diseñadores deben elegir componentes con la mayor resistencia posible. En circunstancias normales, reducir la DCR significa que deben usarse cables de cobre más gruesos y el tamaño total puede ser mayor. Por lo tanto, la optimización de la selección de DCR es una compensación entre la eficiencia energética, la caída de voltaje permitida del componente y el tamaño del componente.