[應(yīng)用筆記]如何高效率選出高能效的電感

在高頻 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中，電感器過濾掉疊加在 DC 輸出上的紋波電流。無論轉(zhuǎn)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(dāng)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平滑紋波電流實(shí)現(xiàn)效率最高，即損耗最佳，需要確保在通過工作電流時(shí)，電感器不能磁芯飽和，也不能繞組過熱。本文介紹了如何評(píng)估電感器的損耗，以及高效率電感器的設(shè)計(jì)與快速選型方法。

電感器的損耗評(píng)估

評(píng)估電感器的鐵損和銅損是相當(dāng)復(fù)雜的。鐵損通常取決于如下的幾個(gè)因素，如紋波電流值、開關(guān)頻率、磁芯材料、磁芯參數(shù)和繞組匝數(shù)。電路的紋波電流和開關(guān)頻率取決于應(yīng)用，而磁芯材料、磁芯參數(shù)和匝數(shù)則取決于電感。

評(píng)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(shù)

f = 開關(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(yīng)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(shù)。磁通量密度也是由磁芯有效面積(Ae)和匝數(shù)(N)共同確定的，因此鐵損既取決于應(yīng)用，也取決于電感本身。

相比之下，直流銅損的計(jì)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(píng)估相對(duì)復(fù)雜，交流銅損會(huì)因集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)而導(dǎo)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)曲線可能顯示較高頻率下的一些電阻增加，但是曲線通常是在非常低的電流水平下測(cè)量出來的，因此該損耗不包含紋波電流帶來的鐵損，這是個(gè)容易誤解的地方。

例如，圖 1 所示的ESR-頻率曲線

圖 1. ESR 與頻率的關(guān)系?

根據(jù)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，銅損非常高，因此在這個(gè)頻率段以上的應(yīng)用不該選用這個(gè)電感。但是在實(shí)際的應(yīng)用中，電感的實(shí)際損耗比這個(gè)曲線展示的損耗要低得多。

請(qǐng)考慮以下示例：

假設(shè)轉(zhuǎn)換器的輸出為0.4 A、5 V（2.0W） ；開關(guān)頻率為200kHz。選用一個(gè)10μH的科達(dá)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(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，平均電感電流等于負(fù)載電流 0.4 A。我們可以計(jì)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(yùn)行相同的轉(zhuǎn)換器，我們可以從 ESR 曲線中看到 R 在11Ω左右。那么電感中的功率損耗應(yīng)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(jì)算，似乎不應(yīng)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(yīng)用中，轉(zhuǎn)換器的效率要比根據(jù)ESR-頻率曲線計(jì)算出的效率好得多。原因如下：

圖2簡(jiǎn)化版本降壓轉(zhuǎn)換器電流波形，連續(xù)模式，紋波電流較小。

圖2.簡(jiǎn)化版本降壓轉(zhuǎn)換器電流波形?

假設(shè)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(zhǔn)確評(píng)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(fù)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(fù)載電流。

高頻損耗中，即，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(yù)測(cè)總電感損耗為 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W。

在 200 kHz 下工作時(shí)預(yù)測(cè)的損耗僅比 DCR 預(yù)測(cè)的略高（小于 1%）。

計(jì)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(jì)算必須使用ESR，之前估計(jì)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(yù)測(cè)損耗比DCR損耗高約 1.3%，遠(yuǎn)低于此前預(yù)測(cè)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。

02-高效率電感器設(shè)計(jì)

對(duì)于紋波電流相對(duì)于負(fù)載電流較小的連續(xù)電流模式轉(zhuǎn)換器，合理計(jì)算損耗必須通過DCR和ESR的組合來計(jì)算。另外，ESR 曲線計(jì)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_(dá)嘉通過選擇低損耗材料和設(shè)計(jì)總損耗最小的電感器來優(yōu)化電感器效率。使用扁平線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(dá)嘉CSEG 系列一體成型功率電感針對(duì)高頻、高峰值電流應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。這些電感具有軟飽和特性，同時(shí)在 200kHz 或更高頻率下具有最低的AC損耗和更低的DCR。

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(shè)計(jì)的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了最低的直流和交流損耗。這使得 CSEB 系列成為高頻電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的最佳選擇，這些應(yīng)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的飽和電流曲線與溫升電流曲線

圖4. 比較CSBL、CSBX、CSEC和CSEB 200KHz 時(shí)的交流損耗和總損耗

03-電感快速選型工具

為了加快工程師選擇電感器的過程，科達(dá)嘉開發(fā)了選型工具，可以針對(duì)每種可能的應(yīng)用條件計(jì)算基于測(cè)量的磁芯和繞組損耗。這些工具的結(jié)果包括電流相關(guān)和頻率相關(guān)的磁芯和繞組損耗，無需請(qǐng)求專有的電感器設(shè)計(jì)信息，如磁芯材料、Ae和匝數(shù)，也無需進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算。

科達(dá)嘉選型工具根據(jù)工作條件如輸入輸出電壓、開關(guān)頻率、平均電流、紋波電流以計(jì)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(yīng)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(jié)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(yàn)證在應(yīng)用的峰值電流條件下，電感是否仍接近設(shè)計(jì)要求。

該工具還可用于繪制電感與電流行為的關(guān)系圖，以比較各類型電感區(qū)別、優(yōu)劣勢(shì)，可以先按總損耗對(duì)結(jié)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)行此類分析，從而可以選擇出效率最高的電感。 計(jì)算總損耗可能很復(fù)雜，但這些計(jì)算內(nèi)置于科達(dá)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(dá)嘉網(wǎng)站：DC/DC轉(zhuǎn)換器電感器選擇 - 深圳市科達(dá)嘉電子有限公司 (codaca.com)

科達(dá)嘉網(wǎng)站：功率電感搜索 - 深圳市科達(dá)嘉電子有限公司 (codaca.com)

科達(dá)嘉網(wǎng)站：功率電感損耗對(duì)比 - 深圳市科達(dá)嘉電子有限公司 (codaca.com)