中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
聯(lián)系人：李鋒
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在高頻 DC-DC 轉換器中，電感器過(guò)濾掉疊加在 DC 輸出上的紋波電流。無(wú)論轉換器是降壓，升壓，還是同時(shí)升降壓，電感器都會(huì )平滑紋波以提供直流輸出。當鐵損與銅損的組合損耗最低時(shí)，電感器效率最高。選擇高感量的電感來(lái)平滑紋波電流實(shí)現效率最高，即損耗最佳。需要確保在通過(guò)工作電流時(shí)，電感器不能磁芯飽和，也不能繞組過(guò)熱。本文介紹了如何評估電感損耗，以及高效率電感器的設計與快速選型方法。
一、電感器的損耗評估
評估電感器的鐵損和銅損是相當復雜的。鐵損通常取決于如下的幾個(gè)因素，如紋波電流值、開(kāi)關(guān)頻率、磁芯材料、磁芯參數和繞組匝數。電路的紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率取決于應用，而磁芯材料、磁芯參數和匝數則取決于電感。
評估鐵損最常用的方程是 Steinmetz 方程：
其中：
Pvc = 磁芯單位體積功率損耗
K， x， y = 磁芯材料常數
F = 開(kāi)關(guān)頻率
B = 磁通量密度
該方程表明，磁芯損耗（鐵損）取決于頻率(f)和磁通量密度(B)。磁通量密度取決于紋波電流，因此兩者都是應用相關(guān)變量。鐵損與電感本身有關(guān)，其中磁芯材料決定了 K、x 和 y 常數。磁通量密度也是由磁芯有效面積(Ae)和匝數(N)共同確定的，因此鐵損既取決于應用，也取決于電感本身。
相比之下，直流銅損的計算就比較容易：
其中
Pdc = 直流損耗(W)
Idc = 電感的有效值電流(rms)
DCR =電感繞組的直流電阻
交流銅損評估相對復雜，交流銅損會(huì )因集膚效應和鄰近效應而導致的高頻交流電阻增加而增加。ESR(等效串聯(lián)電阻)或 ACR(交流電阻)曲線(xiàn)可能顯示較高頻率下的一些電阻增加，但是曲線(xiàn)通常是在非常低的電流水平下測量出來(lái)的的，因此該損耗不包含紋波電流帶來(lái)的鐵損，這是個(gè)容易誤解的地方。
例如，圖 1 所示的ESR-頻率曲線(xiàn)
圖 1.ESR 與頻率的關(guān)系
根據上圖，1MHz以上的等效串聯(lián)電阻非常高。在這個(gè)頻率段以上使用該電感的話(huà)，銅損非常高，因此在個(gè)頻率段以上的應用不該選用這個(gè)電感。但是在實(shí)際的應用中，電感的實(shí)際損耗比這個(gè)曲線(xiàn)展示的損耗要低得多。
請考慮以下示例：
假設轉換器的輸出為來(lái)0.4 A、5 V（2.0W） ；開(kāi)關(guān)頻率為200kHz。選用一個(gè)10μH的科達嘉電感，其典型ESR與頻率的關(guān)系如圖 1 所示。在200kHz的工作頻率下ESR約為0.8Ω。
對于降壓轉換器，平均電感電流等于負載電流 0.4 A。
我們可以計算電感中的損耗：
0.128W÷(2.0+0.128)W =6.0% (電感器需要消耗輸入功率的6%)
但是，如果我們以4 MHz運行相同的轉換器，我們可以從 ESR 曲線(xiàn)中看到 R 在11Ω左右。那么電感中的功率損耗應該是：
1.76W÷(2.0+1.76)W=46.8%(電感器需要消耗輸入功率的46.8%)
基于以上的計算，似乎不應該在這個(gè)頻率及以上頻率段選用該電感。
但是在實(shí)際應用中，轉換器的效率要比根據ESR-頻率曲線(xiàn)計算出的效率好得多。原因如下：
圖 2 簡(jiǎn)化版本降壓轉換器電流波形，連續模式，紋波電流較小。
圖 2. 簡(jiǎn)化版本降壓轉換器電流波形
假設I p-p(紋波電流峰峰值)約為平均電流的 10%。則
I直流 = 0.4 A
I p-p = 0.04 A
為了準確評估電感的損耗，必須將其分低頻損耗（直流損耗）與高頻損耗兩部分。
低頻電阻（實(shí)際上是 DCR），讀圖約為 0.7 Ω。電流是負載電流加上紋波電流的 rms 值。紋波電流很小，有效電流等于直流負載電流。
高頻損耗中，即 I2R。R 是 ESR(200kHz)，而I僅是紋波電流的有效值(rms)：
在 200 kHz 時(shí)，交流損耗為：
因此，在 200 kHz 時(shí)，預測總電感損耗為 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W。
在 200 kHz 下工作時(shí)預測的損耗僅比 DCR 預測的略高（小于 1%）。
計算一下 4 MHz 的損耗。低頻損耗仍然是相同的 0.112 W。
交流損耗計算必須使用ESR，之前估計為 11 歐姆：
因此，4 MHz 時(shí)的總電感損耗為：0.112 W + 0.00147 W = 0.11347 W。
這個(gè)就更為明顯了，預測損耗比DCR損耗高約 1.3%，遠低于此前預測的1.76 W。此外，在 4 MHz 時(shí)不會(huì )使用與 200 kHz 時(shí)相同的電感值,將使用更小的電感值，電感的DCR也會(huì )更小。
二、高效率電感器設計
對于紋波電流相對于負載電流較小的連續電流模式轉換器，合理計算損耗必須通過(guò)DCR和ESR的組合來(lái)計算。另外，ESR 曲線(xiàn)計算的損耗是不包含鐵損。銅損與鐵損共同決定電感的效率?？七_嘉通過(guò)選擇低損耗材料和設計總損耗最小的電感器來(lái)優(yōu)化電感器效率。使用扁平線(xiàn)繞組可以在限定尺寸中提供最低的DCR，減少銅損。改進(jìn)磁芯材料可以減低高頻下的鐵損，從而提高了電感的整體效率。
例如，科達嘉行業(yè)領(lǐng)先的 CSEG 系列一體成型功率電感器針對高頻、高峰值電流應用進(jìn)行了優(yōu)化。這些電感提供軟飽和，同時(shí)在 200kHz 或更高頻率下提供最低的 AC 損耗。它們的 DCR 也非常低。
圖 3 顯示了 CSBL、CSBX、CSEC和CSEB 系列中 3.8/3.3 μH 值的電感與電流特性。CSBL、CSBX、CSEC 和 CSEB 系列顯然是將電感保持在12A或更高電流的最佳選擇。
表 1.比較 CSBL、CSBX、CSEC和CSEB的 DCR 和 Isat。
比較了電感在 200KHz 時(shí)的交流損耗和總損耗。CSEB 采用超越以往所有設計的創(chuàng )新結構，實(shí)現了最低的直流和交流損耗。這使得 CSEB 系列成為高頻電源轉換器應用的最佳選擇，這些應用必須承受高峰值電流和最低的直流和交流損耗。
圖3.比較CSBL、CSBX、CSEC和CSEB系列3.8/3.3μH的飽和電流曲線(xiàn)與溫升電流曲線(xiàn)
圖 4.比較CSBL、CSBX、CSEC和CSEB 200KHz 時(shí)的交流損耗和總損耗
三、在線(xiàn)選型工具，提升選型效率
為了加快工程師選擇電感器的過(guò)程，科達嘉開(kāi)發(fā)了選型工具，可以針對每種可能的應用條件計算基于測量的磁芯和繞組損耗。這些工具的結果包括電流相關(guān)和頻率相關(guān)的磁芯和繞組損耗，無(wú)需請求專(zhuān)有的電感器設計信息，如磁芯材料、Ae和匝數，也無(wú)需進(jìn)行手動(dòng)計算。
科達嘉選型工具根據工作條件，如輸入輸出電壓、開(kāi)關(guān)頻率、平均電流、紋波電流以計算出電感值。將此信息輸入我們的功率電感選型工具，以篩選出可能滿(mǎn)足這些要求的電感器，列出每個(gè)電感器的電感值、直流電阻、飽和電流、溫升電流、工作溫度等信息。
如已知道應用所需的電感值和額定電流，則可以直接在功率電感選型器中輸入此信息。結果顯示出每個(gè)電感的磁芯和繞組損耗和飽和電流額定值，以驗證在應用的峰值電流條件下，電感是否仍接近設計要求。
該工具還可用于繪制電感與電流行為的關(guān)系圖，以比較各類(lèi)型電感區別、優(yōu)劣勢，可以先按總損耗對結果進(jìn)行排序。將所有電感信息（最多四個(gè)）放在一個(gè)圖表中并排序，有助于進(jìn)行此類(lèi)分析，從而可以選擇出效率最高的電感。
計算總損耗可能很復雜，但這些計算內置于科達嘉選型工具中，使選擇、比較和分析盡可能簡(jiǎn)單，可以更高效選擇到高能效的電感。
【參考資料】：
科達嘉網(wǎng)頁(yè)：DC/DC轉換器電感器選擇 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com.cn)
科達嘉網(wǎng)站：功率電感搜索 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com.cn)
科達嘉網(wǎng)站：功率電感損耗對比 - 深圳市科達嘉電子有限公司 (codaca.com.cn)
