"Pour choisir le bon Inducteur, il est nécessaire de bien comprendre les performances de l'inducteur et comment l'interne souhaité circuit la performance est liée aux informations contenues dans la fiche technique du fournisseur. Cet article explique le catalogue d'inducteurs et les spécifications importantes des inducteurs pour les experts expérimentés en conversion de puissance et les non-professionnels.
"
Pour choisir le bon inducteur, il est nécessaire de bien comprendre les performances de l'inducteur et comment les performances souhaitées du circuit interne sont liées aux informations de la fiche technique du fournisseur. Cet article explique le catalogue d'inducteurs et les spécifications importantes des inducteurs pour les experts expérimentés en conversion de puissance et les non-professionnels.
introduire
L'utilisation de convertisseurs DC-DC est de plus en plus courante. À mesure que les systèmes électroniques sont devenus plus petits, plus mobiles, plus complexes et plus populaires, les besoins en énergie se sont diversifiés. La batterie disponible Tension, les exigences de tension de fonctionnement, de taille et de forme requises changent constamment, ce qui oblige les concepteurs d'équipements à constamment trouver de nouvelles façons de résoudre le problème de conversion de puissance. Les exigences des produits doivent souvent être satisfaites en améliorant les performances et en réduisant la taille, l'optimisation devient donc très importante. Pour la conversion de puissance, toutes les applications ne peuvent pas être « taille unique ». Par exemple, de nombreuses applications pratiques nécessitent l'utilisation de composants minces comme la figure 1.
Figure 1 : Concevoir une surface fine et légère convertisseur nécessite l'utilisation d'inducteurs minces
Outre le marché croissant des achats en gros de convertisseurs, de nombreux concepteurs de circuits conçoivent désormais également leurs propres circuits de conversion DC-DC au lieu de s'appuyer sur des sociétés d'alimentation électrique, de sorte qu'un plus grand nombre de concepteurs de circuits peuvent choisir leurs propres composants. Le circuit de conversion DC-DC de base est un système très mature sans souci et se développe encore lentement. Par conséquent, les auteurs professionnels peuvent rédiger des documents de conception auxiliaires pratiques, et les concepteurs d’équipements peuvent utiliser ces documents pour concevoir leurs propres convertisseurs. Certains logiciels facilement disponibles peuvent également simplifier le processus de ces conceptions1.
Après avoir déterminé la topologie du circuit, l'une des tâches de conception clés consiste à sélectionner les composants. De nombreux programmes de conception de circuits peuvent répertorier les valeurs des paramètres de composants requis. À ce stade, le concepteur doit commencer par déterminer la valeur d'inductance requise et enfin sélectionner un composant dans la gamme disponible pour effectuer le travail. Les inductances utilisées dans les convertisseurs DC-DC se présentent sous différentes formes et tailles. Les figures 2 et 3 en montrent deux. Afin de comparer différents types et de sélectionner les composants appropriés pour une application spécifique, les concepteurs doivent correctement comprendre les spécifications publiées pour ces inducteurs.
Figure 2 : inductance à noyau de fer en forme de E enroulée avec un fil plat
Figure 3 : Inductance moulée à blindage magnétique avec structure robuste pour circuits haute densité
Exigences du convertisseur DC-DC
En bref, la fonction du convertisseur DC-DC est de fournir une tension de sortie continue stable sous une tension d'entrée donnée. Pour ajuster la tension de sortie CC sans dépasser une plage de courant de charge et/ou une plage de tension d'entrée donnée, un convertisseur est généralement requis. Idéalement, la sortie CC est « pure », c'est-à-dire que le courant d'ondulation ou la tension d'ondulation est contrôlé à un niveau spécifié. De plus, le processus de transfert de puissance de la source d'alimentation à la charge doit également atteindre un niveau d'efficacité spécifié. Pour atteindre ces objectifs, le choix des inductances de puissance est une étape importante.
Paramètres de l'inducteur de puissance
Les performances d'inductance peuvent être expliquées par plusieurs chiffres. Le tableau 1 est une fiche de données d'inductance typique. Ces données décrivent une inductance de puissance à montage en surface utilisée dans un convertisseur CC-CC.
Tableau 1 : Extrait du catalogue des inductances types 2 
une. La valeur d'inductance est mesurée à 1MHz et 0.1Vrms
b. Isat est la valeur typique lorsque la valeur d'inductance chute de 30%
c. Irms est la valeur typique lors d'une élévation de température de 40℃
ré. Tous les paramètres sont mesurés à 25℃
définition
L―Valeur d'inductance : les principaux paramètres fonctionnels de l'inducteur, calculés par la formule de conception du convertisseur, sont utilisés pour déterminer la capacité de l'inducteur à gérer la puissance de sortie et à contrôler le courant d'ondulation.
Résistance DCR-DC : La résistance du composant dépend de la longueur et du diamètre du fil de cuivre de bobinage utilisé.
Fréquence auto-résonante SRF : point de fréquence auquel la valeur d'inductance de la bobine d'inductance résonne avec sa capacité distribuée.
Isat―Courant de saturation : le courant qui provoque la saturation du noyau de fer lors du passage dans l'inducteur, provoquant une chute de la valeur de l'inductance.
Irms-Root Mean Square Current: Le courant qui passe en permanence à travers l'inducteur et provoque l'élévation de température maximale admissible.
Pour utiliser correctement les évaluations, vous devez comprendre comment elles sont dérivées. Étant donné que la fiche technique ne peut pas montrer les performances dans toutes les conditions de travail, il est nécessaire de comprendre comment les cotes changent dans différentes conditions de travail.
Valeur d'inductance (L)
La valeur d'inductance est le paramètre principal pour réaliser la fonction de circuit requise, et c'est également le premier paramètre à calculer dans la plupart des processus de conception. Cette valeur est calculée sur la base de la norme consistant à fournir une certaine capacité de stockage d'énergie minimale (ou capacité volt-microseconde) et à réduire l'ondulation du courant de sortie. Si la valeur d'inductance utilisée est inférieure au résultat calculé, l'ondulation CA de la sortie CC sera augmentée. L'utilisation de valeurs d'inductance trop grandes ou trop petites peut forcer le convertisseur à basculer entre les modes de fonctionnement continu et discontinu.
tolérance
La plupart des applications de convertisseurs DC-DC n'ont pas d'exigences particulièrement strictes pour les tolérances d'inductance. Pour la plupart des composants, le choix de produits à tolérance standard est rentable et peut répondre aux exigences de la plupart des convertisseurs. La tolérance d'inductance du tableau 1 est de ± 20 %, ce qui convient à la plupart des convertisseurs.
Conditions d'essai
■ Tension. La valeur nominale de l'inductance doit indiquer la fréquence et la tension d'essai utilisées. La plupart des valeurs d'inductance nominales du catalogue sont basées sur de « petites » tensions sinusoïdales. Pour les fournisseurs d'inducteurs, il s'agit de la méthode la plus simple à mettre en œuvre et la plus pratique pour les applications répétées, et convient pour dériver les valeurs d'inductance pour la plupart des applications.
■ Forme d'onde. La tension sinusoïdale est une condition de test d'instrument standard, elle permet généralement de garantir que la valeur d'inductance obtenue correspond à la valeur d'inductance calculée par la formule de conception.
■ Fréquence d'essai. La plupart des inductances de puissance ne changent pas beaucoup dans la plage de 20 kHz à 500 kHz, de sorte que l'approche couramment utilisée et la plus appropriée consiste à utiliser une évaluation basée sur 100 kHz. Il faut se rappeler qu'à mesure que la fréquence augmente, la valeur de l'inductance finira par diminuer. La raison de ce phénomène peut provenir des caractéristiques d'atténuation de fréquence du matériau du noyau de fer utilisé, ou elle peut provenir de la résonance de l'inductance de la bobine et de sa capacité distribuée. Étant donné que la plupart des convertisseurs fonctionnent dans la plage de 50 kHz à 500 kHz, 100 kHz est une fréquence de test standard appropriée. Lorsque la fréquence de commutation augmente jusqu'à 500 kHz, 1 MHz et plus, il est encore plus important de considérer l'utilisation de valeurs nominales basées sur la fréquence d'application réelle.
résistance
Résistance CC (DCR)
Le DCR n'est qu'une mesure du fil de cuivre utilisé dans l'inducteur, strictement basé sur le diamètre et la longueur du fil de cuivre. La valeur spécifiée dans le catalogue est généralement la « valeur maximale », mais une valeur nominale avec tolérance peut également être spécifiée. La deuxième méthode peut être plus instructive en donnant la valeur nominale ou la résistance attendue, mais en même temps elle peut durcir inutilement les spécifications, car la résistance du produit est trop faible et il n'y a toujours pas de mal.
Comme la résistivité des matériaux de bobine qui sont généralement du cuivre, le DCR change également avec la température. L'évaluation DCR doit tenir compte de la température du test environnemental, ce qui est très important. Le coefficient de température de résistance du cuivre est d'environ +0.4% par degré Celsius3. Par conséquent, le produit illustré avec une valeur nominale maximale de 0.009 ohms a une valeur nominale maximale correspondante de 0.011 ohms à 85 °C, ce qui n'est qu'à 2 milliohms, mais le changement total est de 25 %. La relation entre le DCR attendu et la température est illustrée à la figure 4.
Figure 4 : Basé sur la résistance CC attendue de 0.009Ω Max à 25 °C
Résistance AC
Ce paramètre n'est généralement pas indiqué dans la fiche technique de l'inductance, et ce n'est généralement pas un problème à considérer sauf si la composante alternative de la fréquence ou du courant de fonctionnement est supérieure à la composante continue.
En raison de l'effet de peau, la résistance de la plupart des bobines d'inductance augmente à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente. Si le courant alternatif ou d'ondulation est faible par rapport au courant moyen ou continu, alors le DCR est une bonne mesure de la perte de résistance. L'effet de peau varie avec le diamètre et la fréquence du fil de cuivre3. Par conséquent, pour inclure ces données, la courbe de fréquence complète de chaque inductance répertoriée dans le catalogue doit être indiquée.
Figure 5 : Résistance CA/résistance CC du fil de cuivre rond de calibre 22 américain
Ceci n'est pas nécessaire pour la plupart des applications en dessous de 500 kHz. On peut voir sur la figure 5 qu'à des fréquences inférieures à environ 200 kHz, la résistance CA ne peut pas être comparée à la résistance CC. Même au-dessus de cette fréquence, si le courant alternatif n'est pas supérieur à la composante continue, la résistance alternative ne pose pas de problème. Cependant, si la fréquence est supérieure à 200-300 kHz, l'approche recommandée est de demander au fournisseur des informations sur la relation entre l'affaiblissement et la fréquence en complément des informations publiées.
Si vous souhaitez minimiser la taille des composants, les concepteurs doivent choisir des composants avec la plus grande résistance possible. Dans des circonstances normales, la réduction du DCR signifie que des fils de cuivre plus épais doivent être utilisés et que la taille globale peut être plus grande. Par conséquent, l'optimisation de la sélection DCR est un compromis entre l'efficacité énergétique, la chute de tension admissible des composants et la taille des composants.
Pour choisir le bon inducteur, il est nécessaire de bien comprendre les performances de l'inducteur et comment les performances souhaitées du circuit interne sont liées aux informations de la fiche technique du fournisseur. Cet article explique le catalogue d'inducteurs et les spécifications importantes des inducteurs pour les experts expérimentés en conversion de puissance et les non-professionnels.
introduire
L'utilisation de convertisseurs DC-DC est de plus en plus courante. À mesure que les systèmes électroniques sont devenus plus petits, plus mobiles, plus complexes et plus populaires, les besoins en énergie se sont diversifiés. La tension de batterie disponible, la tension de fonctionnement requise, les exigences de taille et de forme changent constamment, ce qui oblige les concepteurs d'équipements à constamment trouver de nouvelles façons de résoudre le problème de conversion de puissance. Les exigences des produits doivent souvent être satisfaites en améliorant les performances et en réduisant la taille, l'optimisation devient donc très importante. Pour la conversion de puissance, toutes les applications ne peuvent pas être « taille unique ». Par exemple, de nombreuses applications pratiques nécessitent l'utilisation de composants minces comme la figure 1.
Figure 1 : La conception d'un convertisseur fin et léger nécessite l'utilisation d'inducteurs fins
En plus du marché croissant des achats en gros de convertisseurs, de nombreux concepteurs de circuits conçoivent désormais également leurs propres circuits de conversion DC-DC au lieu de s'appuyer sur des sociétés d'alimentation, de sorte que davantage de concepteurs de circuits peuvent choisir leurs propres composants. Le circuit de conversion DC-DC de base est une technologie très mature et se développe encore lentement. Par conséquent, les auteurs professionnels peuvent rédiger des documents de conception auxiliaires pratiques et les concepteurs d'équipements peuvent utiliser ces documents pour concevoir leurs propres convertisseurs. Certains logiciels facilement disponibles peuvent également simplifier le processus de ces conceptions1.
Après avoir déterminé la topologie du circuit, l'une des tâches de conception clés consiste à sélectionner les composants. De nombreux programmes de conception de circuits peuvent répertorier les valeurs des paramètres de composants requis. À ce stade, le concepteur doit commencer par déterminer la valeur d'inductance requise et enfin sélectionner un composant dans la gamme disponible pour effectuer le travail. Les inductances utilisées dans les convertisseurs DC-DC se présentent sous différentes formes et tailles. Les figures 2 et 3 en montrent deux. Afin de comparer différents types et de sélectionner les composants appropriés pour une application spécifique, les concepteurs doivent correctement comprendre les spécifications publiées pour ces inducteurs.
Figure 2 : inductance à noyau de fer en forme de E enroulée avec un fil plat
Figure 3 : Inductance moulée à blindage magnétique avec structure robuste pour circuits haute densité
Exigences du convertisseur DC-DC
En bref, la fonction du convertisseur DC-DC est de fournir une tension de sortie continue stable sous une tension d'entrée donnée. Pour ajuster la tension de sortie CC sans dépasser une plage de courant de charge et/ou une plage de tension d'entrée donnée, un convertisseur est généralement requis. Idéalement, la sortie CC est « pure », c'est-à-dire que le courant d'ondulation ou la tension d'ondulation est contrôlé à un niveau spécifié. De plus, le processus de transfert de puissance de la source d'alimentation à la charge doit également atteindre un niveau d'efficacité spécifié. Pour atteindre ces objectifs, le choix des inductances de puissance est une étape importante.
Paramètres de l'inducteur de puissance
Les performances d'inductance peuvent être expliquées par plusieurs chiffres. Le tableau 1 est une fiche de données d'inductance typique. Ces données décrivent une inductance de puissance à montage en surface utilisée dans un convertisseur CC-CC.
Tableau 1 : Extrait du catalogue des inductances types 2 
une. La valeur d'inductance est mesurée à 1MHz et 0.1Vrms
b. Isat est la valeur typique lorsque la valeur d'inductance chute de 30%
c. Irms est la valeur typique lors d'une élévation de température de 40℃
ré. Tous les paramètres sont mesurés à 25℃
définition
L―Valeur d'inductance : les principaux paramètres fonctionnels de l'inducteur, calculés par la formule de conception du convertisseur, sont utilisés pour déterminer la capacité de l'inducteur à gérer la puissance de sortie et à contrôler le courant d'ondulation.
Résistance DCR-DC : La résistance du composant dépend de la longueur et du diamètre du fil de cuivre de bobinage utilisé.
Fréquence auto-résonante SRF : point de fréquence auquel la valeur d'inductance de la bobine d'inductance résonne avec sa capacité distribuée.
Isat―Courant de saturation : le courant qui provoque la saturation du noyau de fer lors du passage dans l'inducteur, provoquant une chute de la valeur de l'inductance.
Irms-Root Mean Square Current: Le courant qui passe en permanence à travers l'inducteur et provoque l'élévation de température maximale admissible.
Pour utiliser correctement les évaluations, vous devez comprendre comment elles sont dérivées. Étant donné que la fiche technique ne peut pas montrer les performances dans toutes les conditions de travail, il est nécessaire de comprendre comment les cotes changent dans différentes conditions de travail.
Valeur d'inductance (L)
La valeur d'inductance est le paramètre principal pour réaliser la fonction de circuit requise, et c'est également le premier paramètre à calculer dans la plupart des processus de conception. Cette valeur est calculée sur la base de la norme consistant à fournir une certaine capacité de stockage d'énergie minimale (ou capacité volt-microseconde) et à réduire l'ondulation du courant de sortie. Si la valeur d'inductance utilisée est inférieure au résultat calculé, l'ondulation CA de la sortie CC sera augmentée. L'utilisation d'une valeur d'inductance trop grande ou trop petite peut forcer le convertisseur à basculer entre les modes de fonctionnement continu et discontinu.
tolérance
La plupart des applications de convertisseurs DC-DC n'ont pas d'exigences particulièrement strictes pour les tolérances d'inductance. Pour la plupart des composants, le choix de produits à tolérance standard est rentable et peut répondre aux exigences de la plupart des convertisseurs. La tolérance d'inductance du tableau 1 est de ± 20 %, ce qui convient à la plupart des convertisseurs.
Conditions d'essai
■ Tension. La valeur nominale de l'inductance doit indiquer la fréquence et la tension d'essai utilisées. La plupart des valeurs d'inductance nominales du catalogue sont basées sur de « petites » tensions sinusoïdales. Pour les fournisseurs d'inducteurs, il s'agit de la méthode la plus simple à mettre en œuvre et la plus pratique pour les applications répétées, et convient pour dériver les valeurs d'inductance pour la plupart des applications.
■ Forme d'onde. La tension sinusoïdale est une condition de test d'instrument standard, elle permet généralement de garantir que la valeur d'inductance obtenue correspond à la valeur d'inductance calculée par la formule de conception.
■ Fréquence d'essai. La plupart des inductances de puissance ne changent pas beaucoup dans la plage de 20 kHz à 500 kHz, de sorte que l'approche couramment utilisée et la plus appropriée consiste à utiliser une évaluation basée sur 100 kHz. Il faut se rappeler qu'à mesure que la fréquence augmente, la valeur de l'inductance finira par diminuer. La raison de ce phénomène peut provenir des caractéristiques d'atténuation de fréquence du matériau du noyau de fer utilisé, ou elle peut provenir de la résonance de l'inductance de la bobine et de sa capacité distribuée. Étant donné que la plupart des convertisseurs fonctionnent dans la plage de 50 kHz à 500 kHz, 100 kHz est une fréquence de test standard appropriée. Lorsque la fréquence de commutation augmente jusqu'à 500 kHz, 1 MHz et plus, il est encore plus important de considérer l'utilisation de valeurs nominales basées sur la fréquence d'application réelle.
résistance
Résistance CC (DCR)
Le DCR n'est qu'une mesure du fil de cuivre utilisé dans l'inducteur, strictement basé sur le diamètre et la longueur du fil de cuivre. La valeur spécifiée dans le catalogue est généralement la « valeur maximale », mais une valeur nominale avec tolérance peut également être spécifiée. La deuxième méthode peut être plus instructive en donnant la valeur nominale ou la résistance attendue, mais en même temps elle peut durcir inutilement les spécifications, car la résistance du produit est trop faible et il n'y a pas de mal.
Comme la résistivité des matériaux de bobine qui sont généralement du cuivre, le DCR change également avec la température. L'évaluation DCR doit tenir compte de la température du test environnemental, ce qui est très important. Le coefficient de température de résistance du cuivre est d'environ +0.4% par degré Celsius3. Par conséquent, le produit illustré avec une valeur nominale maximale de 0.009 ohms a une valeur nominale maximale correspondante de 0.011 ohms à 85 °C, ce qui n'est qu'à 2 milliohms, mais le changement total est de 25 %. La relation entre le DCR attendu et la température est illustrée à la figure 4.
Figure 4 : Basé sur la résistance CC attendue de 0.009Ω Max à 25 °C
Résistance AC
Ce paramètre n'est généralement pas indiqué dans la fiche technique de l'inductance, et ce n'est généralement pas un problème à considérer sauf si la composante alternative de la fréquence ou du courant de fonctionnement est supérieure à la composante continue.
En raison de l'effet de peau, la résistance de la plupart des bobines d'inductance augmente à mesure que la fréquence de fonctionnement augmente. Si le courant alternatif ou d'ondulation est faible par rapport au courant moyen ou continu, alors le DCR est une bonne mesure de la perte de résistance. L'effet de peau varie avec le diamètre et la fréquence du fil de cuivre3. Par conséquent, pour inclure ces données, la courbe de fréquence complète de chaque inductance répertoriée dans le catalogue doit être indiquée.
Figure 5 : Résistance CA/résistance CC du fil de cuivre rond de calibre 22 américain
Ceci n'est pas nécessaire pour la plupart des applications en dessous de 500 kHz. On peut voir sur la figure 5 qu'à des fréquences inférieures à environ 200 kHz, la résistance CA ne peut pas être comparée à la résistance CC. Même au-dessus de cette fréquence, si le courant alternatif n'est pas supérieur à la composante continue, la résistance alternative ne pose pas de problème. Cependant, si la fréquence est supérieure à 200-300 kHz, l'approche recommandée est de demander au fournisseur des informations sur la relation entre l'affaiblissement et la fréquence en complément des informations publiées.
Si vous souhaitez minimiser la taille des composants, les concepteurs doivent choisir des composants avec la plus grande résistance possible. Dans des circonstances normales, la réduction du DCR signifie que des fils de cuivre plus épais doivent être utilisés et que la taille globale peut être plus grande. Par conséquent, l'optimisation de la sélection DCR est un compromis entre l'efficacité énergétique, la chute de tension admissible des composants et la taille des composants.