"Om het goede te kiezen Inductor, is het noodzakelijk om de prestaties van de inductor volledig te begrijpen en hoe de gewenste interne circuit prestatie is gerelateerd aan de informatie in het gegevensblad van de leverancier. In dit artikel worden de inductorcatalogus en belangrijke specificaties van inductoren uitgelegd voor ervaren experts op het gebied van stroomconversie en niet-professionals.
"
Om de juiste inductor te kiezen, is het noodzakelijk om de prestaties van de inductor volledig te begrijpen en hoe de gewenste interne circuitprestaties verband houden met de informatie in het gegevensblad van de leverancier. In dit artikel worden de inductorcatalogus en belangrijke specificaties van inductoren uitgelegd voor ervaren experts op het gebied van stroomconversie en niet-professionals.
voorstellen
Het gebruik van DC-DC converters wordt steeds gebruikelijker. Naarmate elektronische systemen kleiner, mobieler, complexer en populairder zijn geworden, zijn de stroomvereisten gediversifieerd. De beschikbare batterij spanning, de vereiste bedrijfsspanning, grootte en vormvereisten veranderen voortdurend, waardoor ontwerpers van apparatuur voortdurend nieuwe manieren moeten vinden om het stroomconversieprobleem op te lossen. Aan productvereisten moet vaak worden voldaan door de prestaties te verbeteren en de omvang te verkleinen, dus optimalisatie wordt erg belangrijk. Voor stroomconversie kunnen niet alle toepassingen "one-size-fits-all" zijn. Veel praktische toepassingen vereisen bijvoorbeeld het gebruik van dunne componenten zoals figuur 1.
Afbeelding 1: Ontwerpen van een dun en licht omvormer vereist het gebruik van dunne inductoren
Naast de groeiende markt voor bulkaankopen van omvormers ontwerpen veel circuitontwerpers nu ook hun eigen DC-DC-conversiecircuits in plaats van te vertrouwen op energieleveranciers, zodat meer circuitontwerpers hun eigen componenten kunnen kiezen. Het basis DC-DC-conversiecircuit is zeer volwassen technologie en ontwikkelt zich nog steeds langzaam. Daarom kunnen professionele auteurs praktisch hulpontwerpmateriaal schrijven, en kunnen ontwerpers van apparatuur deze materialen gebruiken om hun eigen converters te ontwerpen. Sommige gemakkelijk verkrijgbare software kan het proces van deze ontwerpen ook vereenvoudigen1.
Na het bepalen van de circuittopologie, is een van de belangrijkste ontwerptaken het selecteren van componenten. Veel circuitontwerpprogramma's kunnen de vereiste componentparameterwaarden weergeven. Op dit moment moet de ontwerper beginnen met het bepalen van de vereiste inductantiewaarde en ten slotte een component uit het beschikbare bereik selecteren om het werk uit te voeren. De inductoren die worden gebruikt in DC-DC-converters zijn er in verschillende soorten en maten. De figuren 2 en 3 tonen er twee. Om verschillende typen te vergelijken en de juiste componenten voor een specifieke toepassing te selecteren, moeten ontwerpers de gepubliceerde specificaties voor deze inductoren correct begrijpen.
Figuur 2: E-vormige inductor met ijzeren kern omwonden met platte draad
Afbeelding 3: Magnetisch afgeschermde gegoten inductor met robuuste structuur voor circuits met hoge dichtheid
Vereisten voor DC-DC-omzetter
Kortom, de functie van de DC-DC-omzetter is het leveren van een stabiele DC-uitgangsspanning onder een bepaalde ingangsspanning. Om de DC-uitgangsspanning aan te passen zonder een bepaald belastingsstroombereik en/of ingangsspanningsbereik te overschrijden, is meestal een omvormer vereist. Idealiter is de DC-uitgang "puur", dat wil zeggen dat de rimpelstroom of rimpelspanning binnen een bepaald niveau wordt geregeld. Bovendien moet het proces van stroomoverdracht van de stroombron naar de belasting ook een bepaald efficiëntieniveau bereiken. Om deze doelen te bereiken, is de selectie van stroominductoren een belangrijke stap.
Vermogen spoel parameters:
Inductantieprestaties kunnen worden verklaard door verschillende getallen. Tabel 1 is een typisch gegevensblad over inductie. Deze gegevens beschrijven een op het oppervlak gemonteerde stroominductor die wordt gebruikt in een DC-DC-omzetter.
Tabel 1: Uittreksel uit de catalogus van typische inductoren 2 
A. De inductantiewaarde wordt gemeten bij 1MHz en 0.1Vrms
B. Isat is de typische waarde wanneer de inductantiewaarde met 30% daalt
C. Irms is de typische waarde bij een temperatuurstijging van 40℃
NS. Alle parameters worden gemeten bij 25℃
definitie
L: Inductantiewaarde: de belangrijkste functionele parameters van de inductor, berekend door de ontwerpformule van de converter, worden gebruikt om het vermogen van de inductor te bepalen om het uitgangsvermogen te verwerken en de rimpelstroom te regelen.
DCR-DC-weerstand: De weerstand van het onderdeel is afhankelijk van de lengte en diameter van de gebruikte koperdraad.
SRF-zelfresonantiefrequentie: het frequentiepunt waarop de inductantiewaarde van de inductorspoel resoneert met zijn verdeelde capaciteit.
Isat-verzadigingsstroom: de stroom die ervoor zorgt dat de ijzeren kern verzadigt wanneer deze door de inductor gaat, waardoor de inductantiewaarde daalt.
Irms-Root Mean Square Current: De stroom die continu door de inductor gaat en de maximaal toelaatbare temperatuurstijging veroorzaakt.
Om de beoordelingen correct te gebruiken, moet u begrijpen hoe ze zijn afgeleid. Aangezien het gegevensblad de prestaties niet onder alle werkomstandigheden kan weergeven, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe de beoordelingen veranderen onder verschillende werkomstandigheden.
Inductantiewaarde (L)
De inductantiewaarde is de belangrijkste parameter om de vereiste circuitfunctie te realiseren, en het is ook de eerste parameter die in de meeste ontwerpprocessen moet worden berekend. Deze waarde wordt berekend op basis van de norm om een bepaalde minimale energieopslagcapaciteit (of volt-microseconde capaciteit) te bieden en de uitgangsstroomrimpel te verminderen. Als de gebruikte inductantiewaarde kleiner is dan het berekende resultaat, wordt de AC-rimpel van de DC-uitgang verhoogd. Het gebruik van inductantiewaarden die te groot of te klein zijn, kan de omvormer dwingen om te wisselen tussen continue en discontinue bedrijfsmodi.
tolerantie
De meeste toepassingen van DC-DC-converters stellen geen bijzonder strenge eisen aan inductantietoleranties. Voor de meeste componenten is het kiezen van producten met standaardtolerantie kosteneffectief en kan het voldoen aan de vereisten van de meeste omvormers. De inductantietolerantie van tabel 1 is ±20%, wat geschikt is voor de meeste omvormers.
Test voorwaarden
■ Spanning. De nominale inductantiewaarde moet de gebruikte frequentie en testspanning aangeven. De meeste nominale inductantiewaarden in de catalogus zijn gebaseerd op "kleine" sinusvormige spanningen. Voor inductorleveranciers is dit de gemakkelijkst te implementeren en de handigste methode voor herhaalde toepassingen, en geschikt voor het afleiden van inductantiewaarden voor de meeste toepassingen.
■ Golfvorm. Sinusvormige spanning is een standaard instrumenttestconditie, meestal kan het er goed voor zorgen dat de verkregen inductantiewaarde overeenkomt met de inductantiewaarde berekend door de ontwerpformule.
■ Testfrequentie. De meeste stroominductoren veranderen niet veel binnen het bereik van 20 kHz tot 500 kHz, dus de algemeen gebruikte en meer geschikte benadering is om een classificatie te gebruiken op basis van 100 kHz. Er moet aan worden herinnerd dat naarmate de frequentie toeneemt, de inductantiewaarde uiteindelijk zal afnemen. De reden voor dit fenomeen kan komen van de frequentie-afrolkarakteristieken van het gebruikte ijzeren kernmateriaal, of het kan komen van de resonantie van de spoelinductantie en de gedistribueerde capaciteit. Aangezien de meeste omvormers werken in het bereik van 50 kHz tot 500 kHz, is 100 kHz een geschikte standaard testfrequentie. Wanneer de schakelfrequentie toeneemt tot 500 kHz, 1 MHz en hoger, is het nog belangrijker om rekening te houden met het gebruik van nominale waarden op basis van de werkelijke toepassingsfrequentie.
Weerstand
DC-weerstand (DCR)
DCR is slechts een maat voor de koperdraad die in de inductor wordt gebruikt, strikt gebaseerd op de diameter en lengte van de koperdraad. De in de catalogus aangegeven waarde is meestal de “maximale waarde”, maar er kan ook een nominale waarde met tolerantie worden opgegeven. De tweede methode kan leerzamer zijn door de nominale waarde of verwachte weerstand te geven, maar tegelijkertijd kan het de specificaties onnodig aanscherpen, omdat de weerstand van het product te klein is en er altijd geen schade is.
Net als de soortelijke weerstand van spoelmaterialen die meestal van koper zijn, verandert DCR ook met de temperatuur. De DCR-classificatie moet rekening houden met de omgevingstesttemperatuur, die erg belangrijk is. De temperatuurcoëfficiënt van weerstand van koper is ongeveer +0.4% per graad Celsius3. Daarom heeft het getoonde product met een maximale classificatie van 0.009 ohm een overeenkomstige maximale classificatie van 0.011 ohm bij 85°C, wat slechts 2 milliohm verwijderd is, maar de totale verandering is 25%. De relatie tussen verwachte DCR en temperatuur wordt weergegeven in figuur 4.
Afbeelding 4: Gebaseerd op de verwachte DC-weerstand van 0.009Ω Max bij 25°C
AC-weerstand:
Deze parameter wordt over het algemeen niet aangegeven in het inductantiegegevensblad en het is meestal geen probleem om te overwegen, tenzij de AC-component van de werkfrequentie of stroom groter is dan de DC-component.
Door het skin-effect neemt de weerstand van de meeste inductiespoelen toe naarmate de werkfrequentie toeneemt. Als de wissel- of rimpelstroom klein is ten opzichte van de gemiddelde of gelijkstroom, dan is DCR een goede maatstaf voor weerstandsverlies. Het skin-effect varieert met de diameter en frequentie van de koperdraad3. Om deze gegevens op te nemen, moet daarom de volledige frequentiecurve van elke inductor die in de catalogus wordt vermeld, worden gegeven.
Figuur 5: AC-weerstand/DC-weerstand van Amerikaanse draaddikte 22 ronde koperdraad
Dit is niet nodig voor de meeste toepassingen onder 500kHz. Uit figuur 5 blijkt dat bij frequenties onder ongeveer 200 kHz de wisselstroomweerstand niet kan worden vergeleken met gelijkstroomweerstand. Zelfs boven deze frequentie, als de AC-stroom niet groter is dan de DC-component, vormt de AC-weerstand geen probleem. Als de frequentie echter hoger is dan 200-300kHz, is de aanbevolen aanpak om de leverancier om informatie te vragen over de relatie tussen verlies en frequentie als aanvulling op de gepubliceerde informatie.
Als u de grootte van componenten wilt minimaliseren, moeten ontwerpers componenten kiezen met een zo groot mogelijke weerstand. Onder normale omstandigheden betekent het verminderen van DCR dat dikkere koperdraden moeten worden gebruikt, en de totale afmeting kan groter zijn. Daarom is het optimaliseren van DCR-selectie een afweging tussen energie-efficiëntie, toelaatbare spanningsval voor componenten en componentgrootte.
Om de juiste inductor te kiezen, is het noodzakelijk om de prestaties van de inductor volledig te begrijpen en hoe de gewenste interne circuitprestaties verband houden met de informatie in het gegevensblad van de leverancier. In dit artikel worden de inductorcatalogus en belangrijke specificaties van inductoren uitgelegd voor ervaren experts op het gebied van stroomconversie en niet-professionals.
voorstellen
Het gebruik van DC-DC converters wordt steeds gebruikelijker. Naarmate elektronische systemen kleiner, mobieler, complexer en populairder zijn geworden, zijn de stroomvereisten gediversifieerd. De beschikbare batterijspanning, vereiste bedrijfsspanning, grootte en vormvereisten veranderen voortdurend, waardoor ontwerpers van apparatuur voortdurend nieuwe manieren moeten vinden om het stroomconversieprobleem op te lossen. Aan productvereisten moet vaak worden voldaan door de prestaties te verbeteren en de omvang te verkleinen, dus optimalisatie wordt erg belangrijk. Voor stroomconversie kunnen niet alle toepassingen "one-size-fits-all" zijn. Veel praktische toepassingen vereisen bijvoorbeeld het gebruik van dunne componenten zoals figuur 1.
Afbeelding 1: Het ontwerpen van een dunne en lichte converter vereist het gebruik van dunne inductoren
Naast de groeiende markt voor bulkaankopen van converters, ontwerpen veel circuitontwerpers nu ook hun eigen DC-DC-conversiecircuits in plaats van te vertrouwen op stroomleveranciers, zodat meer circuitontwerpers hun eigen componenten kunnen kiezen. Het basis DC-DC-conversiecircuit is een zeer volwassen technologie en ontwikkelt zich nog langzaam. Daarom kunnen professionele auteurs praktische hulpontwerpmaterialen schrijven, en apparatuurontwerpers kunnen deze materialen gebruiken om hun eigen converters te ontwerpen. Sommige gemakkelijk beschikbare software kan het proces van deze ontwerpen ook vereenvoudigen1.
Na het bepalen van de circuittopologie, is een van de belangrijkste ontwerptaken het selecteren van componenten. Veel circuitontwerpprogramma's kunnen de vereiste componentparameterwaarden weergeven. Op dit moment moet de ontwerper beginnen met het bepalen van de vereiste inductantiewaarde en ten slotte een component uit het beschikbare bereik selecteren om het werk uit te voeren. De inductoren die worden gebruikt in DC-DC-converters zijn er in verschillende soorten en maten. De figuren 2 en 3 tonen er twee. Om verschillende typen te vergelijken en de juiste componenten voor een specifieke toepassing te selecteren, moeten ontwerpers de gepubliceerde specificaties voor deze inductoren correct begrijpen.
Figuur 2: E-vormige inductor met ijzeren kern omwonden met platte draad
Afbeelding 3: Magnetisch afgeschermde gegoten inductor met robuuste structuur voor circuits met hoge dichtheid
Vereisten voor DC-DC-omzetter
Kortom, de functie van de DC-DC-omzetter is het leveren van een stabiele DC-uitgangsspanning onder een bepaalde ingangsspanning. Om de DC-uitgangsspanning aan te passen zonder een bepaald belastingsstroombereik en/of ingangsspanningsbereik te overschrijden, is meestal een omvormer vereist. Idealiter is de DC-uitgang "puur", dat wil zeggen dat de rimpelstroom of rimpelspanning binnen een bepaald niveau wordt geregeld. Bovendien moet het proces van stroomoverdracht van de stroombron naar de belasting ook een bepaald niveau van efficiëntie bereiken. Om deze doelen te bereiken, is de selectie van stroominductoren een belangrijke stap.
Vermogen spoel parameters:
Inductantieprestaties kunnen worden verklaard door verschillende getallen. Tabel 1 is een typisch gegevensblad over inductie. Deze gegevens beschrijven een op het oppervlak gemonteerde stroominductor die wordt gebruikt in een DC-DC-omzetter.
Tabel 1: Uittreksel uit de catalogus van typische inductoren 2 
A. De inductantiewaarde wordt gemeten bij 1MHz en 0.1Vrms
B. Isat is de typische waarde wanneer de inductantiewaarde met 30% daalt
C. Irms is de typische waarde bij een temperatuurstijging van 40℃
NS. Alle parameters worden gemeten bij 25℃
definitie
L: Inductantiewaarde: de belangrijkste functionele parameters van de inductor, berekend door de ontwerpformule van de converter, worden gebruikt om het vermogen van de inductor te bepalen om het uitgangsvermogen te verwerken en de rimpelstroom te regelen.
DCR-DC-weerstand: De weerstand van het onderdeel is afhankelijk van de lengte en diameter van de gebruikte koperdraad.
SRF-zelfresonantiefrequentie: het frequentiepunt waarop de inductantiewaarde van de inductorspoel resoneert met zijn verdeelde capaciteit.
Isat-verzadigingsstroom: de stroom die ervoor zorgt dat de ijzeren kern verzadigt wanneer deze door de inductor gaat, waardoor de inductantiewaarde daalt.
Irms-Root Mean Square Current: De stroom die continu door de inductor gaat en de maximaal toelaatbare temperatuurstijging veroorzaakt.
Om de beoordelingen correct te gebruiken, moet u begrijpen hoe ze zijn afgeleid. Aangezien het gegevensblad de prestaties niet onder alle werkomstandigheden kan weergeven, is het noodzakelijk om te begrijpen hoe de beoordelingen veranderen onder verschillende werkomstandigheden.
Inductantiewaarde (L)
De inductantiewaarde is de belangrijkste parameter om de vereiste circuitfunctie te realiseren, en het is ook de eerste parameter die in de meeste ontwerpprocessen moet worden berekend. Deze waarde wordt berekend op basis van de norm om een bepaalde minimale energieopslagcapaciteit (of volt-microseconde capaciteit) te bieden en de uitgangsstroomrimpel te verminderen. Als de gebruikte inductantiewaarde kleiner is dan het berekende resultaat, wordt de AC-rimpel van de DC-uitgang verhoogd. Het gebruik van een te grote of te kleine inductantiewaarde kan de omvormer dwingen om te wisselen tussen continue en discontinue bedrijfsmodi.
tolerantie
De meeste toepassingen van DC-DC-converters stellen geen bijzonder strenge eisen aan inductantietoleranties. Voor de meeste componenten is het kiezen van producten met standaardtolerantie kosteneffectief en kan het voldoen aan de vereisten van de meeste omvormers. De inductantietolerantie van tabel 1 is ±20%, wat geschikt is voor de meeste omvormers.
Test voorwaarden
■ Spanning. De nominale inductantiewaarde moet de gebruikte frequentie en testspanning aangeven. De meeste nominale inductantiewaarden in de catalogus zijn gebaseerd op "kleine" sinusvormige spanningen. Voor inductorleveranciers is dit de gemakkelijkst te implementeren en de handigste methode voor herhaalde toepassingen, en geschikt voor het afleiden van inductantiewaarden voor de meeste toepassingen.
■ Golfvorm. Sinusvormige spanning is een standaard instrumenttestconditie, meestal kan het er goed voor zorgen dat de verkregen inductantiewaarde overeenkomt met de inductantiewaarde berekend door de ontwerpformule.
■ Testfrequentie. De meeste stroominductoren veranderen niet veel binnen het bereik van 20 kHz tot 500 kHz, dus de algemeen gebruikte en meer geschikte benadering is om een classificatie te gebruiken op basis van 100 kHz. Er moet aan worden herinnerd dat naarmate de frequentie toeneemt, de inductantiewaarde uiteindelijk zal afnemen. De reden voor dit fenomeen kan komen van de frequentie-afrolkarakteristieken van het gebruikte ijzeren kernmateriaal, of het kan komen van de resonantie van de spoelinductantie en de gedistribueerde capaciteit. Aangezien de meeste omvormers werken in het bereik van 50 kHz tot 500 kHz, is 100 kHz een geschikte standaard testfrequentie. Wanneer de schakelfrequentie toeneemt tot 500 kHz, 1 MHz en hoger, is het nog belangrijker om rekening te houden met het gebruik van nominale waarden op basis van de werkelijke toepassingsfrequentie.
Weerstand
DC-weerstand (DCR)
DCR is slechts een maat voor de koperdraad die in de inductor wordt gebruikt, strikt gebaseerd op de diameter en lengte van de koperdraad. De in de catalogus aangegeven waarde is meestal de “maximale waarde”, maar er kan ook een nominale waarde met tolerantie worden opgegeven. De tweede methode kan leerzamer zijn door de nominale waarde of verwachte weerstand te geven, maar kan tegelijkertijd de specificaties onnodig aanscherpen, omdat de weerstand van het product te klein is en er geen schade is.
Net als de soortelijke weerstand van spoelmaterialen die meestal van koper zijn, verandert DCR ook met de temperatuur. De DCR-classificatie moet rekening houden met de omgevingstesttemperatuur, die erg belangrijk is. De temperatuurcoëfficiënt van weerstand van koper is ongeveer +0.4% per graad Celsius3. Daarom heeft het getoonde product met een maximale classificatie van 0.009 ohm een overeenkomstige maximale classificatie van 0.011 ohm bij 85°C, wat slechts 2 milliohm verwijderd is, maar de totale verandering is 25%. De relatie tussen verwachte DCR en temperatuur wordt weergegeven in figuur 4.
Afbeelding 4: Gebaseerd op de verwachte DC-weerstand van 0.009Ω Max bij 25°C
AC-weerstand:
Deze parameter wordt over het algemeen niet aangegeven in het inductantiegegevensblad en het is meestal geen probleem om te overwegen, tenzij de AC-component van de werkfrequentie of stroom groter is dan de DC-component.
Door het skin-effect neemt de weerstand van de meeste inductiespoelen toe naarmate de werkfrequentie toeneemt. Als de wissel- of rimpelstroom klein is ten opzichte van de gemiddelde of gelijkstroom, dan is DCR een goede maatstaf voor weerstandsverlies. Het skin-effect varieert met de diameter en frequentie van de koperdraad3. Om deze gegevens op te nemen, moet daarom de volledige frequentiecurve van elke inductor die in de catalogus wordt vermeld, worden gegeven.
Figuur 5: AC-weerstand/DC-weerstand van Amerikaanse draaddikte 22 ronde koperdraad
Dit is niet nodig voor de meeste toepassingen onder 500kHz. Uit figuur 5 blijkt dat bij frequenties onder ongeveer 200 kHz de wisselstroomweerstand niet kan worden vergeleken met gelijkstroomweerstand. Zelfs boven deze frequentie, als de AC-stroom niet groter is dan de DC-component, vormt de AC-weerstand geen probleem. Als de frequentie echter hoger is dan 200-300kHz, is de aanbevolen aanpak om de leverancier om informatie te vragen over de relatie tussen verlies en frequentie als aanvulling op de gepubliceerde informatie.
Als u de grootte van componenten wilt minimaliseren, moeten ontwerpers componenten kiezen met een zo groot mogelijke weerstand. Onder normale omstandigheden betekent het verminderen van DCR dat dikkere koperdraden moeten worden gebruikt, en de totale afmeting kan groter zijn. Daarom is het optimaliseren van DCR-selectie een afweging tussen energie-efficiëntie, toelaatbare spanningsval voor componenten en componentgrootte.