电感选型的关键参数

电感是一种储能元件,用在LC振荡电路、中低频的滤波电路,DC-DC能量转换等等,其应用频率范围很少超过50MHz。

从阻抗频率曲线图可知,工作频率低于谐振频率时,电感器件表现出电感性,阻抗随着频率的升高而增大:当工作频率高于谐振频率时,电感器件表现出电容性,阻抗随着频率的升高而减小。

在应用中,应选择谐振频率点高于工作频率的电感为电源滤波选用电感时,需要注意以下几点。

①电感与电容组成低通滤波器时,电感值是一个很关键的参数。电感器件资料标称的电感值,是工作频率低于谐振频率点的值,如果工作频率高于谐振频率,则电感值将会随着工作频率的升高而急剧减小,逐步呈现电容性
电感用于电源滤波时,需要考虑由于其直流电阻而引起的压降

用于电源滤波时,电感的工作电流必须小于额定电流。如果工作电流大于额定电流,电感未必会损坏,但是电感值可能低于标称值。

几个主要有关参数
①电感值范围:1-470uH
②直流电阻:有多种直流电阻可供选择,电感值越大,对应的直流电阻也越大。一般信号用电感,其直流电阻比高频信号用电感和电源用电感大一些,最小的直流电阻一般为几毫欧,大的几欧。
③自谐振频率:几十兆赫兹到几百兆赫兹。电感值越大,其对应的自谐振频率越小。
④额定电流:几毫安到几十毫安。电感值越大,其对应的额定电流越小。
工作频率低于谐振频率时,电感值基本保持稳定:但工作频率超过谐振频率后,电感值将会先增大,达到一定频率后,将迅速减小。
电感啸叫原因

如果耳朵能听到啸叫(吱吱声),可以肯定电感两端存在一个20HZ-20KHZ(人耳范围)左右的开关电流。
例如DC-DC电路的电感啸叫,由于负载电流过大,DC内部有一个限流保护电路,当负载超过IC内部的开关(MOS)电流时,限流检测电路判断负载电流过大,会立即调整DAC内部开关占空比,或者立即停止开关工作,直到检测负载电流在标准范围内时,再重新启动正常的工作开关。从停止开关到重启开关的时间周期正好是几KHZ的频率,正因为这个周期的开关频率产生啸叫。
改善对策:降低负载电流或更换功率稍大的DC-DC,更改输出电容等方法。

负载电流或电压过大导致电感引起的噪声问题:电感--由于电流变化产生的感应电压引起传输线效应,突变,串扰,开关噪声,轨道塌陷,地弹和大大多数电磁干扰源(EMI)。

例如:
数字电路具有噪声,饱和逻辑(例如TTL和CMOS)在开关过程中会短暂地从电源吸入大电流,从而在数字地上引起的噪声就会很大,但由于逻辑级的抗扰度可达数百毫伏以上(由于电感引起--电流变化产生的感应电压)

电感加入磁芯,主要目的是为了提高电感线圈的电感(或互感)量。

反动电势:
①反电动势是指有反抗电流发生改变的趋势而产生电动势,其本质上属于感应电动势。
②反动电势的由来:电流的变化引起磁场的变化。根据麦克斯韦的说法,变化磁场的周围会产生电场,电场对其中的电荷会有电场力,电场力是非静电力,产生电动势。
③当电流是从小增加到大时,产生的反向电动势的方向与原电压方向相同。当电流从大到小时,产生的反向电动势的方向与原电压方向相反。

在便携电子设备里都包含有多个电源管理芯片,一般常用的开关电源芯片分两种:BOOST转换器(升压),BUCK转换器(降压电路)。下面是两种电源电路的两种拓扑结构,在这里简单说明在两种电源结构中电感的选择准则。

BOOST变换器是能产生高于电池电压的电路。

BUCK变换器是能产生一个低于自己输入电压的电路,相比于线性降压器有更高的转换效率更少的发热。

在开关电源电路里,电感都是独立外置的。随着现在电子设备越来越来小,PCB的面积也会越来越来小。做硬件系统设计时,在电感的大小与电感大小对电源电路性能的影响之前要做一个权衡。

在选择电感时,许多与电感相关的参数需要认真进行考虑,这些参数一般包括:

∆L(感值误差)

f0(自谐振频率)

DCR(直流等效电阻)

Isat(电感饱和电流)

Irms(电感温升电流)

电感的额定感值L及感值误差∆L

额定电感值是电感在一个给定的频率下测得的值,感值误差是同一批电感里电感与电感之值的感值差异。一般在电感器件规格书里为如下:

对于一个BUCK变换器,最小的电感值由输出电压,开关频率所以决定的,可由以下公式进行计算:

Vinmax最大输入电压 ,Vout 输出电压 ,fsw开关频率,D开关占空比,Irpp

电感的峰峰值电流。

Irpp是一个需要特别重视的参数,它直接决定了选用的电感及输出电容的大小。Irpp电流大意味要得小的输出电压纹波,必须要使用大容值低ESR的输出电容。Irpp电流小意味着要选择大感值电感。为了平衡这一矛盾,一般在设计电路将Irpp选为电源电路Irated额定输出电流的50%,于是电感的计算公式简化为如下:

相应的,BOOST变换器电感的公式如下:

Vinmin最小输入电流。

当我们设计电路时应该选择的电感值大于所计算出来的Lmin,同时在选择电感一定要将电感的误差值也计算在内。如果电感值误差是20%,那么我们在选择电感值就应该至少为1.25 × Lmin。

例如:

设一个BUCK变换器,输出电流500mA,电压1.2V。输入电压为电池电压最大到4.4V,开关频率1.2MHz。根据上面公式可以计算出Lmin=  2.91μH,将20%电感误差计算在内,1.25 × Lmin=3.64μH。在目标的标准电感内,可以看到为4.7μH。

电感的自谐振频率f0

理想电感器件的阻抗是随着频率的上升而增加的,但是真实中的电感器件由会存在寄生的电容形成RC电路结构,使电感器件存在一个自谐振频率f0。在这个频率之下,电感器件阻抗曲线表现为近以理想的电感特性,电感的阻抗随着频率的上升而增加的。在这个频率之上,电感器件更加表现的像一个电容,电感阻抗随着频率的上升面下降的。下面是理想电感与实际电感的阻抗曲线对比:

对于一个外型大小已给定电感,电感值越大,自谐振频率越小。一般我们选择电感时自谐振频率为电路开关频率的10倍。

在电感器件的规格里为如下:

电感直流电阻DCR

真实的电感器件并不是一个理想的纯感器件,会有一个直流电阻存在,我们一般称之为DCR。由于这个电阻的存在,使得流过电感器件的一部分电流以热的形热被耗散掉了,使得转换效率下降。在电感器件的阻抗曲线上,低频部分的大小是由DCR决定的。

DCR与转效率的关系如下:

Rdc电感的直流电阻,是由电压变换器输入的负载电流。

从以上公式可以看出,当输入电压,负载电流,输出电压已经被给定的情况下,DCR越大率效越低。对于一般的电感器件来讲:

电感直流电阻对于效率的影响,重载时比轻载明显。
在电感值给定的情况下,电感器件的外型越小DCR越大。
在电感外型大小给定的情况下,电感值越大DCR越大。
在电感值一定的情况下,有磁屏蔽的电感器件的DCR小于没有磁屏蔽的。
在电感的规格书里,一般会给DCR的典型值及最大值供我们参考,在设计时尽量选择较小DCR的电感。

电感的饱和电流Isat及温升电流Iram

电感都会有磁饱和特性,当电感中的电流大于某一个电流值时,电感量就会出现大幅下降,这个电流值我们称之为电感的饱和电流。在一般的工程实践中,我们将使电感量下降30%所对应的电流做为电感饱和电流。 

电感的温升电流Irms 是流过电感电流的有效值,它主要会引起电感温度的上升使得电感量大幅下降。温度的上升是由于电感的DCR引起,我们一般定义其为,在室温下使得电感产生40度温升所对应的电流。通常电感的温升电流是低于其饱和电流的。

如果在电路里发生了电感饱合,电感量下降会使得电感里的峰峰值电流Irpp增加,从而增大了AC损耗,使电压变换的效率降低。另外,更大的Irpp也会使得输出纹波电压变大。

以一下BUCK为例(1.2V 500mA),测试两种不同规格的电感:

CBC25184R7M 测试结果

CB2518T4R7M测试结果

观察以上两个图可以看到使用CBC25184R7M的Irpp是137mA,相对的使用CB2518T4R7M的是226mA,换算下来,CBC25184R7M的电感值是4.07uH下降了14%,而CB2518T4R7M为2.46uH下降了48%。

同样的,流过电感的Irms高于电感所规定的温升电流,那么也会引起一样的问题。

当我们在选择评估Isat,Irms这两个值时,一般要求其中最小的那个值要大于电路额定输出电流的1.3倍。

部分转自:https://blog.csdn.net/athen21/article/details/83217950

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