"Scegliere il giusto Induttore, è necessario comprendere appieno le prestazioni dell'induttore e come l'interno desiderato circuito la prestazione è correlata alle informazioni contenute nella scheda tecnica del fornitore. Questo articolo spiega il catalogo degli induttori e le specifiche importanti degli induttori per esperti e non professionisti esperti di conversione di potenza.
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Per scegliere l'induttore giusto, è necessario comprendere appieno le prestazioni dell'induttore e come le prestazioni del circuito interno desiderate sono correlate alle informazioni nella scheda tecnica del fornitore. Questo articolo spiega il catalogo degli induttori e le specifiche importanti degli induttori per esperti e non professionisti esperti di conversione di potenza.
introdurre
L'uso di convertitori DC-DC sta diventando sempre più comune. Poiché i sistemi elettronici sono diventati più piccoli, più mobili, più complessi e più popolari, i requisiti di alimentazione sono diventati diversificati. La batteria disponibile voltaggio, la tensione operativa richiesta, i requisiti di dimensioni e forma sono in continua evoluzione, il che fa sì che i progettisti di apparecchiature debbano trovare costantemente nuovi modi per risolvere il problema della conversione di potenza. I requisiti del prodotto spesso devono essere soddisfatti migliorando le prestazioni e riducendo le dimensioni, quindi l'ottimizzazione diventa molto importante. Per la conversione di potenza, non tutte le applicazioni possono essere "taglia unica". Ad esempio, molte applicazioni pratiche richiedono l'uso di componenti sottili come la Figura 1.
Figura 1: Progettare un sottile e leggero convertitore richiede l'uso di induttori sottili
Oltre al mercato in crescita per gli acquisti all'ingrosso di convertitori, molti progettisti di circuiti ora progettano anche i propri circuiti di conversione CC-CC invece di affidarsi alle società di alimentazione, in modo che più progettisti di circuiti possano scegliere i propri componenti. Il circuito di conversione DC-DC di base è molto maturo la tecnologia e si sta ancora sviluppando lentamente. Pertanto, gli autori professionisti possono scrivere materiali pratici di progettazione ausiliari e i progettisti di apparecchiature possono utilizzare questi materiali per progettare i propri convertitori. Alcuni software facilmente disponibili possono anche semplificare il processo di questi progetti1.
Dopo aver determinato la topologia del circuito, una delle principali attività di progettazione consiste nella selezione dei componenti. Molti programmi di progettazione di circuiti possono elencare i valori dei parametri dei componenti richiesti. A questo punto, il progettista dovrebbe iniziare determinando il valore di induttanza richiesto e infine selezionare un componente dalla gamma disponibile per eseguire il lavoro. Gli induttori utilizzati nei convertitori DC-DC sono disponibili in varie forme e dimensioni. Le figure 2 e 3 ne mostrano due. Per confrontare diversi tipi e selezionare i componenti appropriati per un'applicazione specifica, i progettisti devono comprendere correttamente le specifiche pubblicate per questi induttori.
Figura 2: induttore con nucleo di ferro a forma di E avvolto con filo piatto
Figura 3: induttore stampato schermato magneticamente con struttura robusta per circuiti ad alta densità
Requisiti del convertitore DC-DC
In breve, la funzione del convertitore DC-DC è quella di fornire una tensione di uscita DC stabile sotto una data tensione di ingresso. Per regolare la tensione di uscita CC senza superare un determinato intervallo di corrente di carico e/o intervallo di tensione di ingresso, di solito è necessario un convertitore. Idealmente, l'uscita CC è "pura", ovvero la corrente di ripple o la tensione di ripple è controllata entro un livello specificato. Inoltre, anche il processo di trasferimento di potenza dalla fonte di alimentazione al carico deve raggiungere un livello di efficienza specificato. Per raggiungere questi obiettivi, la scelta degli induttori di potenza è un passo importante.
Parametri dell'induttore di potenza
Le prestazioni dell'induttanza possono essere spiegate da diversi numeri. La tabella 1 è un tipico foglio dati di induttanza. Questi dati descrivono un induttore di alimentazione a montaggio superficiale utilizzato in un convertitore DC-DC.
Tabella 1: Estratto dal catalogo degli induttori tipici 2 
un. Il valore dell'induttanza è misurato a 1MHz e 0.1Vrms
B. Isat è il valore tipico quando il valore dell'induttanza scende del 30%
C. Irms è il valore tipico quando si provoca un aumento della temperatura di 40 ℃
D. Tutti i parametri sono misurati a 25℃
definizione
L―Valore di induttanza: i principali parametri funzionali dell'induttore, calcolati dalla formula di progettazione del convertitore, vengono utilizzati per determinare la capacità dell'induttore di gestire la potenza di uscita e controllare la corrente di ripple.
Resistenza DCR-DC: La resistenza del componente dipende dalla lunghezza e dal diametro del filo di rame dell'avvolgimento utilizzato.
Frequenza di auto-risonanza SRF: il punto di frequenza in cui il valore di induttanza della bobina dell'induttore risuona con la sua capacità distribuita.
Isat―Corrente di saturazione: la corrente che provoca la saturazione del nucleo di ferro quando passa attraverso l'induttore, causando la caduta del valore dell'induttanza.
Corrente quadratica media Irms-Root: La corrente che passa continuamente attraverso l'induttore e provoca l'aumento di temperatura massimo consentito.
Per utilizzare correttamente le valutazioni, è necessario comprendere come sono derivate. Poiché la scheda tecnica non può mostrare le prestazioni in tutte le condizioni di lavoro, è necessario comprendere come cambiano le valutazioni in diverse condizioni di lavoro.
Valore di induttanza (L)
Il valore dell'induttanza è il parametro principale per realizzare la funzione circuitale richiesta ed è anche il primo parametro da calcolare nella maggior parte dei processi di progettazione. Questo valore viene calcolato in base allo standard di fornire una certa capacità minima di accumulo di energia (o capacità volt-microsecondi) e ridurre l'ondulazione della corrente di uscita. Se il valore dell'induttanza utilizzato è inferiore al risultato calcolato, l'ondulazione CA dell'uscita CC sarà aumentata. L'utilizzo di valori di induttanza troppo grandi o troppo piccoli può costringere il convertitore a cambiare tra modalità di funzionamento continua e discontinua.
tolleranza
La maggior parte delle applicazioni dei convertitori DC-DC non prevede requisiti particolarmente severi per le tolleranze di induttanza. Per la maggior parte dei componenti, la scelta di prodotti con tolleranza standard è conveniente e può soddisfare i requisiti della maggior parte dei convertitori. La tolleranza di induttanza della Tabella 1 è ±20%, che è adatta per la maggior parte dei convertitori.
Condizioni di prova
■ Tensione. Il valore di induttanza nominale dovrebbe indicare la frequenza e la tensione di prova utilizzate. La maggior parte dei valori di induttanza nominali del catalogo si basano su tensioni sinusoidali "piccole". Per i fornitori di induttori, questo è il metodo più semplice da implementare e più conveniente per applicazioni ripetute ed è adatto per derivare valori di induttanza per la maggior parte delle applicazioni.
■ Forma d'onda. La tensione sinusoidale è una condizione di test dello strumento standard, di solito può garantire che il valore di induttanza ottenuto corrisponda al valore di induttanza calcolato dalla formula di progetto.
■ Frequenza di prova. La maggior parte degli induttori di potenza non cambia molto nell'intervallo da 20kHz a 500kHz, quindi l'approccio comunemente usato e più appropriato è quello di utilizzare una valutazione basata su 100kHz. Va ricordato che all'aumentare della frequenza, il valore dell'induttanza alla fine diminuirà. La ragione di questo fenomeno può derivare dalle caratteristiche di roll-off in frequenza del materiale del nucleo di ferro utilizzato, oppure può derivare dalla risonanza dell'induttanza della bobina e dalla sua capacità distribuita. Poiché la maggior parte dei convertitori funziona nell'intervallo da 50kHz a 500kHz, 100kHz è una frequenza di prova standard adatta. Quando la frequenza di commutazione aumenta a 500kHz, 1MHz e oltre, è ancora più importante considerare l'uso di valori nominali basati sull'effettiva frequenza di applicazione.
resistenza
Resistenza CC (DCR)
DCR è solo una misura del filo di rame utilizzato nell'induttore, strettamente basata sul diametro e sulla lunghezza del filo di rame. Il valore specificato nel catalogo è solitamente il “valore massimo”, ma può essere specificato anche un valore nominale con tolleranza. Il secondo metodo può essere più istruttivo fornendo il valore nominale o la resistenza prevista, ma allo stesso tempo può stringere inutilmente le specifiche, perché la resistenza del prodotto è troppo piccola e non c'è sempre nessun danno.
Come la resistività dei materiali delle bobine che di solito sono rame, anche il DCR cambia con la temperatura. La valutazione DCR dovrebbe considerare la temperatura del test ambientale, che è molto importante. Il coefficiente di resistenza alla temperatura del rame è di circa +0.4% per grado Celsius3. Pertanto, il prodotto mostrato con una valutazione massima di 0.009 ohm ha una corrispondente valutazione massima di 0.011 ohm a 85 °C, che dista solo 2 milliohm, ma la variazione totale è del 25%. La relazione tra DCR atteso e temperatura è mostrata nella Figura 4.
Figura 4: In base alla resistenza CC prevista di 0.009Ω Max a 25°C
Resistenza CA
Questo parametro non è generalmente indicato nella scheda tecnica dell'induttanza, e di solito non è un problema da considerare a meno che la componente AC della frequenza o corrente di funzionamento sia maggiore della componente DC.
A causa dell'effetto pelle, la resistenza della maggior parte delle bobine di induttanza aumenta all'aumentare della frequenza operativa. Se la corrente alternata o di ripple è piccola rispetto alla corrente media o continua, allora DCR è una buona misura della perdita di resistenza. L'effetto pelle varia con il diametro e la frequenza del filo di rame3. Pertanto, per includere questi dati, è necessario fornire la curva di frequenza completa di ciascun induttore elencato nel catalogo.
Figura 5: Resistenza CA/Resistenza CC del filo di rame rotondo americano calibro 22
Ciò non è necessario per la maggior parte delle applicazioni al di sotto dei 500kHz. Si può vedere dalla Figura 5 che a frequenze inferiori a circa 200kHz, la resistenza AC non può essere confrontata con la resistenza DC. Anche al di sopra di questa frequenza, se la corrente alternata non è maggiore della componente continua, la resistenza alternata non rappresenta un problema. Tuttavia, se la frequenza è superiore a 200-300kHz, l'approccio consigliato è quello di chiedere al fornitore informazioni sul rapporto tra perdita e frequenza come supplemento alle informazioni pubblicate.
Se si desidera ridurre al minimo le dimensioni dei componenti, i progettisti dovrebbero scegliere componenti con la maggiore resistenza possibile. In circostanze normali, ridurre il DCR significa che devono essere utilizzati fili di rame più spessi e la dimensione complessiva potrebbe essere maggiore. Pertanto, l'ottimizzazione della selezione del DCR è un compromesso tra efficienza energetica, caduta di tensione consentita del componente e dimensione del componente.
Per scegliere l'induttore giusto, è necessario comprendere appieno le prestazioni dell'induttore e come le prestazioni del circuito interno desiderate sono correlate alle informazioni nella scheda tecnica del fornitore. Questo articolo spiega il catalogo degli induttori e le specifiche importanti degli induttori per esperti e non professionisti esperti di conversione di potenza.
introdurre
L'uso di convertitori DC-DC sta diventando sempre più comune. Poiché i sistemi elettronici sono diventati più piccoli, più mobili, più complessi e più popolari, i requisiti di alimentazione sono diventati diversificati. La tensione disponibile della batteria, la tensione operativa richiesta, i requisiti di dimensioni e forma sono in continua evoluzione, il che rende i progettisti di apparecchiature costantemente bisognosi di trovare nuovi modi per risolvere il problema della conversione di potenza. I requisiti del prodotto spesso devono essere soddisfatti migliorando le prestazioni e riducendo le dimensioni, quindi l'ottimizzazione diventa molto importante. Per la conversione di potenza, non tutte le applicazioni possono essere "taglia unica". Ad esempio, molte applicazioni pratiche richiedono l'uso di componenti sottili come la Figura 1.
Figura 1: La progettazione di un convertitore sottile e leggero richiede l'uso di induttori sottili
Oltre al mercato in crescita per gli acquisti all'ingrosso di convertitori, molti progettisti di circuiti ora progettano anche i propri circuiti di conversione CC-CC invece di affidarsi a società di alimentazione, quindi più progettisti di circuiti possono scegliere i propri componenti. Il circuito di conversione DC-DC di base è una tecnologia molto matura e si sta ancora sviluppando lentamente. Pertanto, gli autori professionisti possono scrivere materiali di progettazione ausiliari pratici e i progettisti di apparecchiature possono utilizzare questi materiali per progettare i propri convertitori. Alcuni software facilmente disponibili possono anche semplificare il processo di questi progetti1.
Dopo aver determinato la topologia del circuito, una delle principali attività di progettazione consiste nella selezione dei componenti. Molti programmi di progettazione di circuiti possono elencare i valori dei parametri dei componenti richiesti. A questo punto, il progettista dovrebbe iniziare determinando il valore di induttanza richiesto e infine selezionare un componente dalla gamma disponibile per eseguire il lavoro. Gli induttori utilizzati nei convertitori DC-DC sono disponibili in varie forme e dimensioni. Le figure 2 e 3 ne mostrano due. Per confrontare diversi tipi e selezionare i componenti appropriati per un'applicazione specifica, i progettisti devono comprendere correttamente le specifiche pubblicate per questi induttori.
Figura 2: induttore con nucleo di ferro a forma di E avvolto con filo piatto
Figura 3: induttore stampato schermato magneticamente con struttura robusta per circuiti ad alta densità
Requisiti del convertitore DC-DC
In breve, la funzione del convertitore DC-DC è quella di fornire una tensione di uscita DC stabile sotto una data tensione di ingresso. Per regolare la tensione di uscita CC senza superare un determinato intervallo di corrente di carico e/o intervallo di tensione di ingresso, di solito è necessario un convertitore. Idealmente, l'uscita CC è "pura", ovvero la corrente di ripple o la tensione di ripple è controllata entro un livello specificato. Inoltre, anche il processo di trasferimento di potenza dalla fonte di alimentazione al carico deve raggiungere un determinato livello di efficienza. Per raggiungere questi obiettivi, la scelta degli induttori di potenza è un passo importante.
Parametri dell'induttore di potenza
Le prestazioni dell'induttanza possono essere spiegate da diversi numeri. La tabella 1 è un tipico foglio dati di induttanza. Questi dati descrivono un induttore di alimentazione a montaggio superficiale utilizzato in un convertitore DC-DC.
Tabella 1: Estratto dal catalogo degli induttori tipici 2 
un. Il valore dell'induttanza è misurato a 1MHz e 0.1Vrms
B. Isat è il valore tipico quando il valore dell'induttanza scende del 30%
C. Irms è il valore tipico quando si provoca un aumento della temperatura di 40 ℃
D. Tutti i parametri sono misurati a 25℃
definizione
L―Valore di induttanza: i principali parametri funzionali dell'induttore, calcolati dalla formula di progettazione del convertitore, vengono utilizzati per determinare la capacità dell'induttore di gestire la potenza di uscita e controllare la corrente di ripple.
Resistenza DCR-DC: La resistenza del componente dipende dalla lunghezza e dal diametro del filo di rame dell'avvolgimento utilizzato.
Frequenza di auto-risonanza SRF: il punto di frequenza in cui il valore di induttanza della bobina dell'induttore risuona con la sua capacità distribuita.
Isat―Corrente di saturazione: la corrente che provoca la saturazione del nucleo di ferro quando passa attraverso l'induttore, causando la caduta del valore dell'induttanza.
Corrente quadratica media Irms-Root: La corrente che passa continuamente attraverso l'induttore e provoca l'aumento di temperatura massimo consentito.
Per utilizzare correttamente le valutazioni, è necessario comprendere come sono derivate. Poiché la scheda tecnica non può mostrare le prestazioni in tutte le condizioni di lavoro, è necessario comprendere come cambiano le valutazioni in diverse condizioni di lavoro.
Valore di induttanza (L)
Il valore dell'induttanza è il parametro principale per realizzare la funzione circuitale richiesta ed è anche il primo parametro da calcolare nella maggior parte dei processi di progettazione. Questo valore viene calcolato in base allo standard di fornire una certa capacità minima di accumulo di energia (o capacità volt-microsecondi) e ridurre l'ondulazione della corrente di uscita. Se il valore dell'induttanza utilizzato è inferiore al risultato calcolato, l'ondulazione CA dell'uscita CC sarà aumentata. L'utilizzo di un valore di induttanza troppo grande o troppo piccolo può costringere il convertitore a cambiare tra modalità di funzionamento continua e discontinua.
tolleranza
La maggior parte delle applicazioni dei convertitori DC-DC non prevede requisiti particolarmente severi per le tolleranze di induttanza. Per la maggior parte dei componenti, la scelta di prodotti con tolleranza standard è conveniente e può soddisfare i requisiti della maggior parte dei convertitori. La tolleranza di induttanza della Tabella 1 è ±20%, che è adatta per la maggior parte dei convertitori.
Condizioni di prova
■ Tensione. Il valore di induttanza nominale dovrebbe indicare la frequenza e la tensione di prova utilizzate. La maggior parte dei valori di induttanza nominali del catalogo si basano su tensioni sinusoidali "piccole". Per i fornitori di induttori, questo è il metodo più semplice da implementare e più conveniente per applicazioni ripetute ed è adatto per derivare valori di induttanza per la maggior parte delle applicazioni.
■ Forma d'onda. La tensione sinusoidale è una condizione di test dello strumento standard, di solito può garantire che il valore di induttanza ottenuto corrisponda al valore di induttanza calcolato dalla formula di progetto.
■ Frequenza di prova. La maggior parte degli induttori di potenza non cambia molto nell'intervallo da 20kHz a 500kHz, quindi l'approccio comunemente usato e più appropriato è quello di utilizzare una valutazione basata su 100kHz. Va ricordato che all'aumentare della frequenza, il valore dell'induttanza alla fine diminuirà. La ragione di questo fenomeno può derivare dalle caratteristiche di roll-off in frequenza del materiale del nucleo di ferro utilizzato, oppure può derivare dalla risonanza dell'induttanza della bobina e dalla sua capacità distribuita. Poiché la maggior parte dei convertitori funziona nell'intervallo da 50kHz a 500kHz, 100kHz è una frequenza di prova standard adatta. Quando la frequenza di commutazione aumenta a 500kHz, 1MHz e oltre, è ancora più importante considerare l'uso di valori nominali basati sull'effettiva frequenza di applicazione.
resistenza
Resistenza CC (DCR)
DCR è solo una misura del filo di rame utilizzato nell'induttore, strettamente basata sul diametro e sulla lunghezza del filo di rame. Il valore specificato nel catalogo è solitamente il “valore massimo”, ma può essere specificato anche un valore nominale con tolleranza. Il secondo metodo può essere più istruttivo fornendo il valore nominale o la resistenza prevista, ma allo stesso tempo può restringere le specifiche inutilmente, perché la resistenza del prodotto è troppo piccola e non c'è danno.
Come la resistività dei materiali delle bobine che di solito sono rame, anche il DCR cambia con la temperatura. La valutazione DCR dovrebbe considerare la temperatura del test ambientale, che è molto importante. Il coefficiente di resistenza alla temperatura del rame è di circa +0.4% per grado Celsius3. Pertanto, il prodotto mostrato con una valutazione massima di 0.009 ohm ha una corrispondente valutazione massima di 0.011 ohm a 85 °C, che dista solo 2 milliohm, ma la variazione totale è del 25%. La relazione tra DCR atteso e temperatura è mostrata nella Figura 4.
Figura 4: In base alla resistenza CC prevista di 0.009Ω Max a 25°C
Resistenza CA
Questo parametro non è generalmente indicato nella scheda tecnica dell'induttanza, e di solito non è un problema da considerare a meno che la componente AC della frequenza o corrente di funzionamento sia maggiore della componente DC.
A causa dell'effetto pelle, la resistenza della maggior parte delle bobine di induttanza aumenta all'aumentare della frequenza operativa. Se la corrente alternata o di ripple è piccola rispetto alla corrente media o continua, allora DCR è una buona misura della perdita di resistenza. L'effetto pelle varia con il diametro e la frequenza del filo di rame3. Pertanto, per includere questi dati, è necessario fornire la curva di frequenza completa di ciascun induttore elencato nel catalogo.
Figura 5: Resistenza CA/Resistenza CC del filo di rame rotondo americano calibro 22
Ciò non è necessario per la maggior parte delle applicazioni al di sotto dei 500kHz. Si può vedere dalla Figura 5 che a frequenze inferiori a circa 200kHz, la resistenza AC non può essere confrontata con la resistenza DC. Anche al di sopra di questa frequenza, se la corrente alternata non è maggiore della componente continua, la resistenza alternata non rappresenta un problema. Tuttavia, se la frequenza è superiore a 200-300kHz, l'approccio consigliato è quello di chiedere al fornitore informazioni sul rapporto tra perdita e frequenza come supplemento alle informazioni pubblicate.
Se si desidera ridurre al minimo le dimensioni dei componenti, i progettisti dovrebbero scegliere componenti con la maggiore resistenza possibile. In circostanze normali, ridurre il DCR significa che devono essere utilizzati fili di rame più spessi e la dimensione complessiva potrebbe essere maggiore. Pertanto, l'ottimizzazione della selezione del DCR è un compromesso tra efficienza energetica, caduta di tensione consentita del componente e dimensione del componente.