低功耗電源的電感選擇

2020-11-23 電子產品世界

　　超低功率或者超高功率開關電源的電感，並不象一般開關電源那樣容易選擇。目前常規的電感都是為一些主流設計所製造，並不能很好地滿足一些特殊設計。本文主要討論超低功率、超高效率Buck電路的電感選擇問題。典型應用實例就是小體積電池長時間供電設備。在這種電路中，讓工程師感到棘手的問題主要是電池容量(成本與體積)與Buck電路體積、效率之間的矛盾。為了減小開關電源的體積，最好選擇儘可能高的開關頻率。但是開關損耗以及輸出電感的損耗會隨著開關頻率的提高而增大，而且很有可能成為影響效率的主要因素，正是這些矛盾大大提高了電路設計的難度。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/84335.htm

Buck電路的電感要求

　　對工程師而言，鐵磁性元件(電感)可能是最早接觸的非線性器件。但是根據製造商提供的數據，很難預測電感在高頻時的損耗。因為製造商通常只提供諸如開路電感、工作電流、飽和電流、直流電阻以及自激頻率等參數。對於大部分開關電源設計來說，這些參數已經足夠了，並且根據這些參數選擇合適的電感也非常容易。但是，對於超低電流、超高頻率開關電源來說，電感磁芯的非線性參數對頻率非常敏感，其次，頻率也決定了線圈損耗。

　　對於普通開關電源，相對於直流I2R損耗來說，磁芯損耗幾乎可以忽略不計。所以通常情況下，除了「自激頻率「這個與頻率有關的參數外，電感幾乎沒有其他與頻率相關的參數。但是，對於超低功率、超高頻率系統(電池供電設備)，這些高頻損耗(磁芯損耗和線圈損耗)通常會遠遠大於直流損耗。

　　線圈損耗包括直流I2R損耗和交流損耗。其中，交流損耗主要是由於趨膚效應和鄰近效應所導致。趨膚效應是指隨著頻率的提高移動的電荷越來越趨於導體表面流動，相當於減小了導體導電的橫截面積，提高了交流阻抗。比如：在2MHz頻率，導體導電深度(從導體表面垂直向下)大概只有0.00464釐米。這就導致電流密度降低到原來的1/e (大概0.37)。鄰近效應是指電流在電感相鄰導線所產生的磁場會互相影響，從而導致所謂的「擁擠電流」，也會提高交流阻抗。對於趨膚效應，可以通過多芯電線(同一根導線內含多根細導線)適度緩解。對於那些交流電流紋波遠小於直流電流的電路，多芯電線可以有效降低電感的總損耗。

　　磁芯損耗主要是由於磁滯現象以及磁芯內部傳導率或其他非線性參數的互感產生。在Buck拓撲結構中，第一象限的B-H磁滯回線對磁芯損耗影響最大。在第一象限這個局部圖中，磁滯回線顯示了電感從初始電感量過渡到峰值電感量再回到初始電感量的過程。如果開關電源穩定工作在不連續狀態，磁滯回線會從剩餘電感量(Br)過渡到峰值電感量(參考圖1)。如果開關電源工作在連續狀態，那麼磁滯回線將會從直流偏置點上升到曲線峰值，再回到直流偏置點。通過實驗可以確定磁滯回線的精確曲線形狀(基本上是橢圓曲線)。


圖1  某Buck電路電感B-P磁滯回線

　　大部分磁芯由粉狀磁性材料和陶瓷等粘合材料構成。一個未使用過的磁芯可以簡單地想像成由一層薄薄的粘合材料包裹、彼此獨立、具有隨機方向性的大量磁針。由於目前還沒有能夠很好解釋磁芯損耗的統一模型，所以採用上述這個經驗模型解釋磁芯損耗，在本文最後的參考文獻中有更深入的磁芯模型，供讀者參考。

　　磁性方向近似的鄰近磁針會互相影響，從而形成「聯盟」。雖然這些磁針由粘合材料包裹，物理上彼此獨立，但它們之間的磁場是相互關聯的。我們稱這些「聯盟」為「單元」。而單元的邊界就是內部「聯盟」與外部磁針的分割面。在單元的邊界外的磁針比較難與邊界內的「聯盟」聯合。我們稱這些邊界為「單元壁」，這個模型常用來解釋磁芯的許多基本參數。

　　在對磁芯施加磁場時(對線圈施加電流)，方向不同的單元相互之間相關聯。當足夠強的電流形成外加磁場時，那些靠近線圈的單元所處的磁場更強，會首先形成聯合(更大的單元)。而此時處在深一層的單元還未受到磁場的影響。聯合起來的單元與未受到影響的單元之間的單元壁會在磁場的作用下，持續向磁芯中心移動。如果線圈中的電流不撤銷或翻轉的話，整個磁芯都將會聯合在一起。整個磁芯的磁針聯合在一起，我們稱為「飽和」。電感製造商給出的B-H磁滯回線正表示磁芯從被磁化的初始階段到飽和階段的過程。如果將電流減弱，那麼單元就會向自由的初始態轉變，但是有些單元會繼續保持聯合的狀態。這種不完全的轉化就是剩磁(可以在磁滯回線中看出)。這種剩磁現象就會在下一次單元結合時體現為應力，導致磁芯損耗。

　　每個周期內的磁滯損耗為：
　　WH=mH×dI 

　　式中積分為磁滯回線中的包羅面積，磁芯從初始電感量到峰值電感量，再回到初始電感量的整個過程。而在開關頻率為F時的能量損耗為：
　　PH = F×mH×dI

　　計算這些交流損耗看起來似乎容易。但是在高頻、中等通流密度下，情況將異常複雜。每個電路都存在一些對磁芯損耗有影響的參數，而這些參數一般都很難量化。比如：離散電容、PCB布局、驅動電壓、脈衝寬度、負載狀態、輸入輸出電壓等。不幸的是，磁芯損耗受這些參數影響很嚴重。
電荷放大器相關文章:電荷放大器原理

相關焦點

  • 開關電源的電感選擇和布局布線
    對於一個給定Buck型開關電源，此值一般為常量。從（5）式可以得到：電感值越大，就越小，因此r就越小。但這往往導致需要一個很大的電感才能辦到，所以絕大部分的Buck型開關電源選擇r值在0.25~0.5之間。
  • 挑戰更低待機功耗,NXP專家來支招
    降低功耗的四大舉措　　面對嚴格的待機功耗標準需求，半導體廠商各出奇招，努力降低待機功耗，張錫亮分享了NXP的四大舉措，就是：　　1、採用burst模式提供輕載時的效率　　所謂的Burst Mode就是間歇振蕩模式，是降低待機損耗的常用手段
  • 低功耗DDS波形發生器的實現
    由於低功耗DDS器件屬於採樣數據器件，因此，其後必須採用合適的抗鏡像濾波器以消除頻譜鏡像。然而，在建議的200 Ω負載下，最大電流輸出大約為4 mA；因此，在DDS輸出端設置一個優化的低功耗、低失真運算放大器緩衝器，可以為高品質50 Ω濾波器提供低阻抗驅動源。
  • 開關電源濾波電感計算與選擇
    本文將闡明為非隔離式開關電源(SMPS)選用電感的基本要點。所舉實例適合超薄型表面貼裝設計的應用，像電壓調節模塊(VRM)和負載點(POL)型電源，但不包括基於更大底板的系統。
  • 可攜式電子產品低功耗電路的設計技巧和分析
    現在在可攜式DVD系統中主要包含以下4個部分：TFT液晶顯示屏、主板、機芯和電池，除主板以外的另外3個部件可以通過比較來選擇使用具有更低功耗的品牌部件；但是主板只能通過具體的設計來降低功耗，主板共以下4個模塊：主晶片及其外圍電路、電源管理部分（包括TFT的電源管理部分）、音視頻部分和機芯馬達驅動部分，這其中主晶片及外圍電路模塊和機芯馬達驅動模塊在低功耗設計方面通過比較選擇具有更低功耗的器件就可以
  • 開關電源系統-待機功耗測試&分析
    我們用AC／DC的開關電源系統，不同的產品應用要求不一樣，有500mW、300mW、再到100mW，後面還會要求充電器達到10mW以下功耗要求！我用FLY為例來進行理論和實際的測試分析1．分析及測試原理圖輸入部分損耗1．工作時脈衝電流會造成的共模電感的內阻損耗加大適當設計共模電感
  • TPS60101用於低功耗系統的電源解決方案
    摘要：介紹一種新穎的電荷泵直流穩壓晶片TPS60101的性能特點和使用方式，結合實例分析其在低功耗單片機系統中的應用。 關鍵詞：TPS60101 電荷泵 低功耗 單片機隨著單片機應用技術的發展，各種應用場合對單片機系統有了更加嚴格的要求，可攜式解決方案
  • 一文讀懂如何為開關電源選擇合適的電感
    &電流不穩定，造成其它單元電路系統死機等不穩定異常情形;jY6edncD).電感額定電流（包括飽和和溫升電流）選擇餘量不足會導致其工作時表面溫度過高、整機效率降低、加速電感本身或整機老化使其壽命縮短jY6ednc開關電源的輸出電感選型我們需要重點考慮的電感的參數：
  • 採用運算放大器實現低電壓大電流的電源轉換
    在以往的做法中會直接使用LDO來實現低電壓小電流的轉換，然而，在這麼大的電流情況下很難找到合適的LDO來實現電源轉換。採用合適的PWM控制器可以直接控制兩路電源的輸出，電路如圖1所示，這種拓撲結構在主板上應用廣泛，從CPU的電源供電到DDR的電源和終端供電都是通過該方式實現的。這是一種很成熟的電源轉換方式，可以很可靠地實現低電壓大電流的轉換。
  • 教你如何正確的為開關電源選擇其適合的電感
    這個紋波電壓應儘可能低，以免影響電源系統的正常操作，一般要求峰峰值為10mV~500mV。　　紋波電流的大小同樣會影響電感器和輸出電容的尺寸，紋波電流一般設定為最大輸出電流的10%~30%，因此對降壓型電源來說，流過電感的電流峰值比電源輸出電流大5%~15%。
  • 濾波電感的選擇_濾波電感的作用
    打開APP 濾波電感的選擇_濾波電感的作用 佚名 發表於 2019-11-07 15:02:39 　　濾波電感的選擇 　　濾波電感，該如何進行選擇呢？
  • 淺談電容電阻電感的選型標準
    2、選型方法 ①、優先考慮阻值，對於不常見的阻值，可以通過電阻的串聯與並聯代替； ②、計算功耗： P = I²R 或 U²/R， 根據功耗，合理選擇封裝，一般0402的最大功耗為1/16W，0603的最大功耗為1/10W，0805的最大功耗為1/8W，具體看電阻的選型手冊。
  • BUCK電源中的電感
    設計者必須在t解電感理論的基礎上，再根據結構，額定電流，磁芯材料，磁芯損耗，溫度和飽和電流綜合評價，選擇最佳電感參數。另外值得慶的是，許多電感供應商都提供尺寸和性能優秀的產品，甚至還可以修改產品參數以滿足用戶需求的服務。
  • 信號和電源隔離RS-485現場總線的高速或低功耗解決方案
    DiDednc在電池供電系統、井下應用（例如，採礦）以及在4 mA至20 mA環路中工作的過程控制系統中，往往對低功耗工作模式具有較高需求。ADI公司生產的微功耗數字隔離器ADuM1441在關斷模式下的靜態功耗低於23 μA。ADM3483 3.3 V、250 kbps RS-485收發器的靜態功耗極低，關斷模式下通常僅2 nA。
  • 如何為DC-DC選擇適合的電感和電容
    在選擇外部元件時，電源設計工程師應意識到這些局限性，否則其設計就有可能遇到麻煩。　　電感器選型　　以圖1所示的基本降壓穩壓器為例，說明電感器的選型。　　對大多數TPS6220x應用而言，電感器的電感值範圍為4.7uH～10uH。電感值的選擇取決於期望的紋波電流。
  • 共模電感在電源模塊輸入端的作用
    共模電感是指兩個線圈繞在同一鐵芯上，且繞制相反、匝數和相位都相同。常用於開關電源中過濾共模的電磁幹擾信號，EMI濾波用於抑制高速信號線產生的電磁波向外輻射發射。電源模塊輸入端加共模電感一般是為了減少輻射、降低高頻共模噪音。
  • 數字萬用表測電感元件好壞
    本文主要介紹了一下關於利用數字萬用表測電感元件好壞上網方法。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201605/290783.htm　　第一步：檢測擋位的選擇。
  • 共模電感在開關電源的應用?
    打開APP 共模電感在開關電源的應用？理想的共模扼流圈對L（或N）與E 之間的共模幹擾具有抑制作用，而對L 與N 之間存在的差模幹擾無電感抑制作用。但實際線圈繞制的不完全對稱會導致差模漏電感的產生。信號電流或電源電流在兩個繞組中流過時方向相反，產生的磁通量相互抵消，扼流圈呈現低阻抗。共模噪聲電流（包括地環路引起的騷擾電流，也處稱作縱向電流）流經兩個繞組時方向相同，產生的磁通量同向相加，扼流圈呈現高阻抗，從而起到抑制共模噪聲的作用。
  • 讓電源預算狂降 主流配件真實功耗揭秘_Tt 金剛KK500P(W3032)_機箱...
    我們花費了一天時間尋覓主流硬體的真實功耗，下圖數據的依據是Jonnyguru、Ht4u.net、Xbitlabs、Computerbase等國外媒體，大家肯定會感覺硬體功耗如此之低，事實也正是如此。，Radeon HD 4850滿載功耗是155.4W、E8600滿載功耗是45.6W，兩者搭配的中端遊戲平臺僅需250W電源就可以滿足。
  • 深入剖析電感電流——怎樣選擇合適的電感
    簡介 在開關電源的設計中電感的設計為工程師帶來的許多的挑戰。工程師不僅要選擇電感值，還要考慮電感可承受的電流、繞線電阻、機械尺寸等等。本文專注於解釋 —— 電感上的DC電流效應，這也會為選擇合適的電感提供必要的信息。