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電源設(shè)計(jì)小貼士 13:小心別被電感磁芯損耗燙傷

發(fā)布時(shí)間:2010-9-6 18:19    發(fā)布者:techieboy
關(guān)鍵詞: 小貼士
作者:Robert Kollman

您是否有過為降壓穩(wěn)壓器充電、進(jìn)行滿功率測試,隨后在進(jìn)行電感指端溫度測試時(shí)留下了永久(燙傷)印記的經(jīng)歷呢?或許過高的磁芯損耗和交流繞組損耗就是罪魁禍?zhǔn)。?00-kHz開關(guān)頻率下,一般不會(huì)出現(xiàn)任何問題,這是因?yàn)榇判緭p耗約占總電感損耗的5%到10%。因此,相應(yīng)的溫升才是問題所在。

一般而言,選擇電感時(shí),只需計(jì)算出最大負(fù)載電流,通過容許20%紋波電流來建立電感。由于磁芯損耗微不足道,因此會(huì)出現(xiàn)類似于產(chǎn)品說明書中所示的溫升。然而,隨著開關(guān)頻率上升至500kHz 以上,磁芯損耗和繞組交流損耗可以極大地減少電感中的容許直流電流。使用20%紋波電流來計(jì)算電感,可帶來相同的磁芯材料通量激增,其與頻率無關(guān)。磁芯損耗方程式的一般形式為:

Pcore = K × F1.3。

因此,如果頻率 (F) 從100 kHz升至500kHz,則磁芯損耗便為原來的8倍。圖1顯示了這種上升情況,還描述了隨磁芯損耗上升而下降的容許銅線損耗。100KHz時(shí),大多數(shù)損耗存在于銅線中,同時(shí)利用全直流額定電流是可能的。更高頻率時(shí),磁芯損耗變大。由于總?cè)菰S損耗由磁芯損耗與銅線損耗之和決定,因此銅線損耗必須在磁芯損耗上升時(shí)降低。這種情況一直持續(xù)到各損耗均相等。最佳情況是,在高頻率下?lián)p耗穩(wěn)定保持相等,并允許從磁結(jié)構(gòu)獲得最大輸出電流。


10.5 MHz以上,磁芯損耗大大降低了有效傳導(dǎo)損耗。

圖1和圖2均基于固定磁芯體積和繞組面積,僅匝數(shù)可變。圖 2顯示了圖 1所示磁芯損耗的電感和容許直流電流。1.3MHz以下時(shí),電感與開關(guān)頻率成反比關(guān)系。電感在1.3 MHz附近達(dá)到最小值。該頻率以上,則必須升高電感來限制磁芯通量,從而將磁芯損耗控制在總損耗的50%。該電感的額定電流也同時(shí)被計(jì)算出來。低頻率時(shí),磁芯損耗并不大,額定電流由繞組的功率損耗決定。

下列方程式中,匝數(shù)與頻率平方根的倒數(shù)成正比,因此頻率升高2倍(電感降低一半)得到 0.707 匝數(shù)。

L = μ × A × N2/lm

這種情況會(huì)以兩種方式影響繞組電阻。匝數(shù)減少30%,而每一匝的可用面積卻增加了41%。由于繞組電阻與匝數(shù)/匝面積相關(guān),因此電阻隨頻率上升而線性下降,例如:在本例中電阻下降2倍。

較高頻率時(shí),磁芯損耗開始限制容許銅線損耗,直到達(dá)到它們相等的點(diǎn)為止。在這一點(diǎn)上,通過增加更多匝數(shù)以及升高繞組電阻,使電感上升來降低通量。這樣,電感額定電流減少。因此,從電感尺寸角度來說獲得了最佳頻率。


圖2 磁芯損耗限制峰值功率

總之,增加開關(guān)頻率會(huì)縮小磁芯尺寸的看法是正確的,但僅限于磁芯損耗和交流 繞組損耗等于銅線損耗的點(diǎn)上。過了這個(gè)點(diǎn),磁芯尺寸實(shí)際上會(huì)增加。另外,設(shè)計(jì)人員需要注意的是,在有許多高開關(guān)頻率產(chǎn)品可供選擇的今天,一些相應(yīng)的應(yīng)用手冊中并沒有清楚地注明過高磁芯損耗存在的一些潛在問題。

作者簡介
Robert Kollman 現(xiàn)任 TI 高級應(yīng)用經(jīng)理兼科技委員會(huì)資深委員。他擁有超過 30 年的電源電子行業(yè)工作經(jīng)驗(yàn),并為電源電子成功設(shè)計(jì)了磁芯,包括從 sub-watt 到 sub-Megawatt 的磁芯,其工作頻率兆赫茲范圍內(nèi)。Robert 畢業(yè)于得克薩斯 A&M 大學(xué)(Texas A&M University),獲電子工程理學(xué)士學(xué)位,后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (Southern Methodist University),獲電子工程碩士學(xué)位。
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