「正しい選択をするには 誘導子、インダクタの性能と必要な内部の方法を完全に理解する必要があります 回路 パフォーマンスは、サプライヤーのデータシートの情報に関連しています。 この記事では、経験豊富な電力変換の専門家および非専門家向けに、インダクタのカタログとインダクタの重要な仕様について説明します。
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適切なインダクタを選択するには、インダクタの性能と、必要な内部回路の性能がサプライヤのデータシートの情報とどのように関連しているかを完全に理解する必要があります。 この記事では、経験豊富な電力変換の専門家および非専門家向けに、インダクタのカタログとインダクタの重要な仕様について説明します。
紹介する
DC-DCコンバータの使用はますます一般的になっています。 電子システムがより小さく、よりモバイルになり、より複雑になり、より一般的になるにつれて、電力要件は多様化しています。 利用可能なバッテリー 電圧、必要な動作電圧、サイズ、形状の要件は絶えず変化しているため、機器の設計者は電力変換の問題を解決するための新しい方法を絶えず見つける必要があります。 多くの場合、パフォーマンスの向上とサイズの縮小によって製品要件を満たす必要があるため、最適化が非常に重要になります。 電力変換の場合、すべてのアプリケーションが「万能」であるとは限りません。 たとえば、多くの実用的なアプリケーションでは、図1のような薄いコンポーネントを使用する必要があります。
図1：薄くて軽いデザイン コンバータ 薄いインダクタを使用する必要があります
コンバータの一括購入市場の成長に加えて、現在では多くの回路設計者が電源会社に頼らずに独自の DC-DC 変換回路を設計しているため、より多くの回路設計者が独自のコンポーネントを選択できるようになりました。 基本的なDC-DC変換回路は非常に完成度が高い テクノロジー そして今もゆっくりと発展しています。 したがって、プロの著者は実用的な補助設計資料を作成でき、機器設計者はこれらの資料を使用して独自のコンバータを設計できます。 簡単に入手できるソフトウェアによっては、これらの設計プロセスを簡素化できるものもあります1。
回路トポロジーを決定した後、重要な設計タスクの2つはコンポーネントを選択することです。 多くの回路設計プログラムは、必要なコンポーネントパラメータ値を一覧表示できます。 このとき、設計者は必要なインダクタンス値を決定することから始め、最後に利用可能な範囲からコンポーネントを選択して作業を実行する必要があります。 DC-DCコンバータで使用されるインダクタには、さまざまな形状とサイズがあります。 図3と図XNUMXは、そのうちのXNUMXつを示しています。 さまざまなタイプを比較し、特定のアプリケーションに適したコンポーネントを選択するには、設計者はこれらのインダクタの公開されている仕様を正しく理解する必要があります。
図2：フラットワイヤで巻かれたE字型の鉄心インダクタ
図3：高密度回路用の頑丈な構造の磁気シールド成形インダクタ
DC-DCコンバータの要件
要するに、DC-DCコンバータの機能は、与えられた入力電圧の下で安定したDC出力電圧を提供することです。 所定の負荷電流範囲および/または入力電圧範囲を超えずにDC出力電圧を調整するには、通常、コンバータが必要です。 理想的には、DC出力は「純粋」です。つまり、リップル電流またはリップル電圧は指定されたレベル内に制御されます。 さらに、電源から負荷に電力を転送するプロセスも、指定された効率レベルを達成する必要があります。 これらの目標を達成するには、パワーインダクタの選択が重要なステップです。
パワーインダクタパラメータ
インダクタンス性能はいくつかの数字で説明できます。 表1は、一般的なインダクタンスのデータシートです。 これらのデータは、DC-DCコンバータで使用される表面実装パワーインダクタについて説明しています。
表1：一般的なインダクタのカタログからの抜粋2 
NS。 インダクタンス値は1MHzおよび0.1Vrmsで測定されます
NS。 Isatは、インダクタンス値が30％低下したときの標準値です。
NS。 Irmsは40℃の温度上昇を引き起こすときの典型的な値です
NS。 すべてのパラメータは25℃で測定されます
定義
L―インダクタンス値：コンバータの設計式によって計算されたインダクタの主な機能パラメータは、出力電力を処理し、リップル電流を制御するインダクタの能力を決定するために使用されます。
DCR-DC抵抗：コンポーネントの抵抗は、使用する巻線銅線の長さと直径によって異なります。
SRF-自己共振周波数：インダクタコイルのインダクタンス値がその分布容量と共振する周波数ポイント。
Isat―飽和電流：インダクタを通過するときに鉄心を飽和させ、インダクタンス値を低下させる電流。
Irms-二乗平均平方根電流：インダクタを継続的に通過し、最大許容温度上昇を引き起こす電流。
評価を正しく使用するには、評価がどのように導き出されるかを理解する必要があります。 データシートにはすべての作業条件でのパフォーマンスを示すことはできないため、さまざまな作業条件で定格がどのように変化するかを理解する必要があります。
インダクタンス値（L）
インダクタンス値は、必要な回路機能を実現するための主要なパラメータであり、ほとんどの設計プロセスで計算される最初のパラメータでもあります。 この値は、特定の最小エネルギー貯蔵容量（またはボルト-マイクロ秒容量）を提供し、出力電流リップルを低減するという基準に基づいて計算されます。 使用するインダクタンス値が計算結果よりも小さい場合、DC出力のACリップルが増加します。 大きすぎるまたは小さすぎるインダクタンス値を使用すると、コンバータが連続動作モードと不連続動作モードの間で強制的に変更される可能性があります。
公差
DC-DCコンバータのほとんどのアプリケーションには、インダクタンスの許容誤差に関する特に厳しい要件はありません。 ほとんどのコンポーネントでは、標準公差製品を選択することは費用効果が高く、ほとんどのコンバーターの要件を満たすことができます。 表1のインダクタンス許容誤差は±20％であり、ほとんどのコンバータに適しています。
試験条件
■電圧。 定格インダクタンス値は、使用する周波数とテスト電圧を示す必要があります。 ほとんどのカタログ定格インダクタンス値は、「小さな」正弦波電圧に基づいています。 インダクタのサプライヤにとって、これは実装が最も簡単で、繰り返しのアプリケーションに最も便利な方法であり、ほとんどのアプリケーションのインダクタンス値を導出するのに適しています。
■波形。 正弦波電圧は標準的な機器のテスト条件であり、通常、得られたインダクタンス値が設計式で計算されたインダクタンス値と一致することを十分に確認できます。
■テスト頻度。 ほとんどのパワーインダクタは20kHzから500kHzの範囲内ではあまり変化しないため、一般的に使用されるより適切なアプローチは、100kHzに基づく定格を使用することです。 周波数が高くなると、インダクタンス値は最終的に減少することを覚えておく必要があります。 この現象の原因は、使用されている鉄心材料の周波数ロールオフ特性に起因する場合もあれば、コイルインダクタンスとその分布容量の共振に起因する場合もあります。 ほとんどのコンバータは50kHzから500kHzの範囲で動作するため、100kHzが適切な標準テスト周波数です。 スイッチング周波数が500kHz、1MHz以上に上昇した場合、実際のアプリケーション周波数に基づいた定格値の使用を検討することがさらに重要になります。
DC抵抗（DCR）
DCRは、インダクタで使用される銅線の測定値にすぎず、銅線の直径と長さに厳密に基づいています。 カタログで指定されている値は通常「最大値」ですが、公差のある公称値も指定できます。 XNUMX番目の方法は、公称値または期待される抵抗を与えることでより有益な場合がありますが、同時に、製品の抵抗が小さすぎて常に害がないため、仕様を不必要に厳しくする可能性があります。
通常は銅であるコイル材料の抵抗率と同様に、DCR も温度によって変化します。 DCR 評価では環境試験温度を考慮する必要がありますが、これは非常に重要です。 銅の抵抗温度係数は、摂氏 0.4 度あたり約 +3% です0.009。 したがって、最大定格 0.011 オームで示された製品は、85°C で対応する最大定格 2 オームを持ち、これはわずか 25 ミリオーム離れていますが、合計の変化は 4% になります。 予想される DCR と温度の関係を図 XNUMX に示します。
図4：0.009°Cで最大25Ωの予想DC抵抗に基づく
AC抵抗
このパラメータは一般にインダクタンスデータシートに示されておらず、動作周波数または電流のAC成分がDC成分よりも大きくない限り、通常は考慮すべき問題ではありません。
表皮効果により、ほとんどのインダクタンスコイルの抵抗は動作周波数が高くなるにつれて増加します。 AC電流またはリップル電流が平均電流またはDC電流に比べて小さい場合、DCRは抵抗損失の適切な尺度です。 表皮効果は、銅線の直径と周波数によって異なります3。 したがって、このデータを含めるには、カタログに記載されている各インダクタの完全な周波数曲線を指定する必要があります。
図5：米国ワイヤゲージ22丸銅線のAC抵抗/ DC抵抗
これは、500kHz未満のほとんどのアプリケーションでは不要です。 図5から、約200kHz未満の周波数では、AC抵抗をDC抵抗と比較できないことがわかります。 この周波数を超えても、AC電流がDC成分以下であれば、AC抵抗は問題になりません。 ただし、周波数が200〜300kHzを超える場合は、公開されている情報の補足として、損失と周波数の関係に関する情報をサプライヤに問い合わせることをお勧めします。
コンポーネントのサイズを最小限に抑えたい場合、設計者はできるだけ大きな抵抗を持つコンポーネントを選択する必要があります。 通常の状況では、DCRを小さくすると、より太い銅線を使用する必要があり、全体のサイズが大きくなる可能性があります。 したがって、DCRの選択を最適化することは、電力効率、コンポーネントの許容電圧降下、およびコンポーネントのサイズの間のトレードオフです。
適切なインダクタを選択するには、インダクタの性能と、必要な内部回路の性能がサプライヤのデータシートの情報とどのように関連しているかを完全に理解する必要があります。 この記事では、経験豊富な電力変換の専門家および非専門家向けに、インダクタのカタログとインダクタの重要な仕様について説明します。
紹介する
DC-DCコンバータの使用はますます一般的になっています。 電子システムがより小さく、よりモバイルになり、より複雑になり、より一般的になるにつれて、電力要件は多様化しています。 利用可能なバッテリ電圧、必要な動作電圧、サイズ、および形状の要件は絶えず変化しているため、機器の設計者は電力変換の問題を解決するための新しい方法を絶えず見つける必要があります。 多くの場合、パフォーマンスの向上とサイズの縮小によって製品要件を満たす必要があるため、最適化が非常に重要になります。 電力変換の場合、すべてのアプリケーションが「万能」であるとは限りません。 たとえば、多くの実用的なアプリケーションでは、図1のような薄いコンポーネントを使用する必要があります。
図1：薄くて軽いコンバーターを設計するには、薄いインダクターを使用する必要があります
コンバータの大量購入市場の拡大に加えて、多くの回路設計者は、電源会社に頼るのではなく、独自のDC-DC変換回路も設計するようになったため、より多くの回路設計者が独自のコンポーネントを選択できます。 基本的なDC-DC変換回路は非常に成熟した技術であり、まだゆっくりと開発されています。 したがって、プロの作成者は実用的な補助設計材料を作成でき、機器設計者はこれらの材料を使用して独自のコンバータを設計できます。 簡単に入手できるソフトウェアの中には、これらの設計のプロセスを簡素化できるものもあります1。
回路トポロジーを決定した後、重要な設計タスクの2つはコンポーネントを選択することです。 多くの回路設計プログラムは、必要なコンポーネントパラメータ値を一覧表示できます。 このとき、設計者は必要なインダクタンス値を決定することから始め、最後に利用可能な範囲からコンポーネントを選択して作業を実行する必要があります。 DC-DCコンバータで使用されるインダクタには、さまざまな形状とサイズがあります。 図3と図XNUMXは、そのうちのXNUMXつを示しています。 さまざまなタイプを比較し、特定のアプリケーションに適したコンポーネントを選択するには、設計者はこれらのインダクタの公開されている仕様を正しく理解する必要があります。
図2：フラットワイヤで巻かれたE字型の鉄心インダクタ
図3：高密度回路用の頑丈な構造の磁気シールド成形インダクタ
DC-DCコンバータの要件
要するに、DC-DCコンバータの機能は、与えられた入力電圧の下で安定したDC出力電圧を提供することです。 所定の負荷電流範囲および/または入力電圧範囲を超えずにDC出力電圧を調整するには、通常、コンバータが必要です。 理想的には、DC出力は「純粋」です。つまり、リップル電流またはリップル電圧は指定されたレベル内に制御されます。 さらに、電源から負荷に電力を転送するプロセスも、指定されたレベルの効率を達成する必要があります。 これらの目標を達成するには、パワーインダクタの選択が重要なステップです。
パワーインダクタパラメータ
インダクタンス性能はいくつかの数字で説明できます。 表1は、一般的なインダクタンスのデータシートです。 これらのデータは、DC-DCコンバータで使用される表面実装パワーインダクタについて説明しています。
表1：一般的なインダクタのカタログからの抜粋2 
NS。 インダクタンス値は1MHzおよび0.1Vrmsで測定されます
NS。 Isatは、インダクタンス値が30％低下したときの標準値です。
NS。 Irmsは40℃の温度上昇を引き起こすときの典型的な値です
NS。 すべてのパラメータは25℃で測定されます
定義
L―インダクタンス値：コンバータの設計式によって計算されたインダクタの主な機能パラメータは、出力電力を処理し、リップル電流を制御するインダクタの能力を決定するために使用されます。
DCR-DC抵抗：コンポーネントの抵抗は、使用する巻線銅線の長さと直径によって異なります。
SRF-自己共振周波数：インダクタコイルのインダクタンス値がその分布容量と共振する周波数ポイント。
Isat―飽和電流：インダクタを通過するときに鉄心を飽和させ、インダクタンス値を低下させる電流。
Irms-二乗平均平方根電流：インダクタを継続的に通過し、最大許容温度上昇を引き起こす電流。
評価を正しく使用するには、評価がどのように導き出されるかを理解する必要があります。 データシートにはすべての作業条件でのパフォーマンスを示すことはできないため、さまざまな作業条件で定格がどのように変化するかを理解する必要があります。
インダクタンス値（L）
インダクタンス値は、必要な回路機能を実現するための主要なパラメータであり、ほとんどの設計プロセスで計算される最初のパラメータでもあります。 この値は、特定の最小エネルギー貯蔵容量（またはボルト-マイクロ秒容量）を提供し、出力電流リップルを低減するという基準に基づいて計算されます。 使用するインダクタンス値が計算結果よりも小さい場合、DC出力のACリップルが増加します。 インダクタンス値が大きすぎたり小さすぎたりすると、コンバータが連続動作モードと不連続動作モードの間で変化する可能性があります。
公差
DC-DCコンバータのほとんどのアプリケーションには、インダクタンスの許容誤差に関する特に厳しい要件はありません。 ほとんどのコンポーネントでは、標準公差製品を選択することは費用効果が高く、ほとんどのコンバーターの要件を満たすことができます。 表1のインダクタンス許容誤差は±20％であり、ほとんどのコンバータに適しています。
試験条件
■電圧。 定格インダクタンス値は、使用する周波数とテスト電圧を示す必要があります。 ほとんどのカタログ定格インダクタンス値は、「小さな」正弦波電圧に基づいています。 インダクタのサプライヤにとって、これは実装が最も簡単で、繰り返しのアプリケーションに最も便利な方法であり、ほとんどのアプリケーションのインダクタンス値を導出するのに適しています。
■波形。 正弦波電圧は標準的な機器のテスト条件であり、通常、得られたインダクタンス値が設計式で計算されたインダクタンス値と一致することを十分に確認できます。
■テスト頻度。 ほとんどのパワーインダクタは20kHzから500kHzの範囲内ではあまり変化しないため、一般的に使用されるより適切なアプローチは、100kHzに基づく定格を使用することです。 周波数が高くなると、インダクタンス値は最終的に減少することを覚えておく必要があります。 この現象の原因は、使用されている鉄心材料の周波数ロールオフ特性に起因する場合もあれば、コイルインダクタンスとその分布容量の共振に起因する場合もあります。 ほとんどのコンバータは50kHzから500kHzの範囲で動作するため、100kHzが適切な標準テスト周波数です。 スイッチング周波数が500kHz、1MHz以上に上昇した場合、実際のアプリケーション周波数に基づいた定格値の使用を検討することがさらに重要になります。
DC抵抗（DCR）
DCRは、インダクタで使用される銅線の測定値にすぎず、銅線の直径と長さに厳密に基づいています。 カタログで指定されている値は通常「最大値」ですが、公差のある公称値も指定できます。 XNUMX番目の方法は、公称値または期待される抵抗を与えることでより有益な場合がありますが、同時に、製品の抵抗が小さすぎて害がないため、仕様を不必要に厳しくする可能性があります。
通常は銅であるコイル材料の抵抗率と同様に、DCR も温度によって変化します。 DCR 評価では環境試験温度を考慮する必要がありますが、これは非常に重要です。 銅の抵抗温度係数は、摂氏 0.4 度あたり約 +3% です0.009。 したがって、最大定格 0.011 オームで示された製品は、85°C で対応する最大定格 2 オームを持ち、これはわずか 25 ミリオーム離れていますが、合計の変化は 4% になります。 予想される DCR と温度の関係を図 XNUMX に示します。
図4：0.009°Cで最大25Ωの予想DC抵抗に基づく
AC抵抗
このパラメータは一般にインダクタンスデータシートに示されておらず、動作周波数または電流のAC成分がDC成分よりも大きくない限り、通常は考慮すべき問題ではありません。
表皮効果により、ほとんどのインダクタンスコイルの抵抗は動作周波数が高くなるにつれて増加します。 AC電流またはリップル電流が平均電流またはDC電流に比べて小さい場合、DCRは抵抗損失の適切な尺度です。 表皮効果は、銅線の直径と周波数によって異なります3。 したがって、このデータを含めるには、カタログに記載されている各インダクタの完全な周波数曲線を指定する必要があります。
図5：米国ワイヤゲージ22丸銅線のAC抵抗/ DC抵抗
これは、500kHz未満のほとんどのアプリケーションでは不要です。 図5から、約200kHz未満の周波数では、AC抵抗をDC抵抗と比較できないことがわかります。 この周波数を超えても、AC電流がDC成分以下であれば、AC抵抗は問題になりません。 ただし、周波数が200〜300kHzを超える場合は、公開されている情報の補足として、損失と周波数の関係に関する情報をサプライヤに問い合わせることをお勧めします。
コンポーネントのサイズを最小限に抑えたい場合、設計者はできるだけ大きな抵抗を持つコンポーネントを選択する必要があります。 通常の状況では、DCRを小さくすると、より太い銅線を使用する必要があり、全体のサイズが大きくなる可能性があります。 したがって、DCRの選択を最適化することは、電力効率、コンポーネントの許容電圧降下、およびコンポーネントのサイズの間のトレードオフです。