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關(guān)于電感器的性能分析和介紹

立錡科技 ? 來源:djl ? 2019-10-10 16:31 ? 次閱讀
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其中的電感量(Inductance)一欄給出了2.2μH±20%的規(guī)格,但它的測(cè)試條件卻是10kHz/100mV,從這個(gè)條件猜測(cè)這個(gè)參數(shù)是用普通的LCR測(cè)試儀采用諧振法來進(jìn)行測(cè)試的。這樣的測(cè)試條件和具體的工作條件可能是差很遠(yuǎn)的,為什么呢?很簡(jiǎn)單,普通的DC/DC轉(zhuǎn)換器通常都工作在幾百kHz至幾MHz,所加電壓通常也是從0.xV至幾十V,換算為電流則常常從幾百mA到幾個(gè)A,在這些條件下,這個(gè)電感量還會(huì)是準(zhǔn)確的嗎?

思考之下的發(fā)現(xiàn)從規(guī)格書中就開始了,這份規(guī)格書給出了如下信息:

關(guān)于電感器的性能分析和介紹

果然,當(dāng)電流不同的時(shí)候,電感量是不同的。在上面的參數(shù)表中規(guī)定:當(dāng)電感量變化量達(dá)到-10%時(shí),這個(gè)電感已經(jīng)被判定為飽和了,此時(shí)的電流為3.38A(典型值)。

實(shí)際上,隨著電流的增長(zhǎng),電感器的電感量會(huì)有一個(gè)很大的變化范圍,下面的這幅圖來自電感器制造商伍爾特,其中的數(shù)據(jù)全部來自實(shí)際的電感器測(cè)試資料,供你參考:

關(guān)于電感器的性能分析和介紹

電感器的核心材料是鐵粉芯,當(dāng)流過線圈的電流生成磁場(chǎng)時(shí),磁場(chǎng)激發(fā)出的鐵粉芯中的磁感應(yīng)強(qiáng)度增加,但是隨著電流和磁場(chǎng)的增長(zhǎng),由此激發(fā)出的磁感應(yīng)強(qiáng)度的增長(zhǎng)越來越少,直至內(nèi)部磁疇全都向著同一方向時(shí),磁感應(yīng)強(qiáng)度就再也無法增長(zhǎng)了,這種現(xiàn)象被稱為飽和,此時(shí)的電感量將急劇下降,同一電壓下的電流增長(zhǎng)速度將急劇增加,但卻不能作為磁能儲(chǔ)存下來。在Buck應(yīng)用中,這種多出來的電流在通過電感時(shí)使得電感發(fā)熱量大增,同時(shí)又流入輸出電容和負(fù)載,因而在負(fù)載端表現(xiàn)出巨大的電壓紋波,可能對(duì)負(fù)載的工作產(chǎn)生巨大的影響。如果這樣的狀況出現(xiàn)在Boost應(yīng)用中,這個(gè)電路幾乎就一定會(huì)崩潰了,由于輸入的電能不能轉(zhuǎn)化為傳遞到輸出端的能量,占空比將持續(xù)增加,使整個(gè)狀況越來越惡化,最后一定是不可收拾的,控制部分及時(shí)介入進(jìn)行保護(hù)才可能避免最壞的情況發(fā)生。

熱量的累積會(huì)使電感器溫度升高,溫升又會(huì)造成磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度能力的降低,所以,一個(gè)電感器容許的溫升總是很有限的。在上面的資料中看到,這款電感器40k溫升時(shí)的電流為2.5A,或者說是2.5A的電流就能造成40k的溫升。

電感器溫度的升高很容易造成一個(gè)問題的發(fā)生:線圈的絕緣受到破壞。我們能夠容易地測(cè)量到的電感器溫度都是電感器的表面溫度,它的內(nèi)部溫度通常來說更高,線圈絕緣層在高溫作用下熔化以后,很容易就會(huì)出現(xiàn)匝間短路,而電感量是與線圈的匝數(shù)的平方成正比的,這將造成災(zāi)難性的后果,上述的所有問題都會(huì)進(jìn)一步惡化,還會(huì)帶來別的連帶問題。

我們都知道DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)有過流保護(hù)這一功能,會(huì)在偵測(cè)到電感電流達(dá)到過流保護(hù)閾值時(shí)及時(shí)關(guān)斷開關(guān),但是從偵測(cè)到過流到執(zhí)行完關(guān)斷動(dòng)作之間總是需要一定的時(shí)間的,如果電感量太小而使電流增長(zhǎng)速度太快,這段執(zhí)行的時(shí)間里電流就可能增長(zhǎng)到IC無法承受的程度,IC的損壞也就是順理成章的了。

其實(shí)還有一個(gè)因素會(huì)使得電感太小所帶來的影響擴(kuò)大化,這可能是不太被注意的。每一次DC/DC開關(guān)動(dòng)作都會(huì)帶來一些電路中的電流切換過程,這個(gè)過程可能會(huì)帶來極大的電路噪聲,為了避免這些噪聲的影響,IC的設(shè)計(jì)中可能會(huì)在開關(guān)動(dòng)作以后插入一個(gè)不進(jìn)行電流測(cè)量的時(shí)間段,太小的電感可能讓電感電流在這段時(shí)間里就增長(zhǎng)到IC無法承受的程度。

由于電感量的變化可能帶來IC的損壞,所以這種損壞并不是在電感出問題的情況下就一定會(huì)發(fā)生,但其損壞幾率會(huì)低于電感出問題的幾率。如果在實(shí)踐中看到電感問題數(shù)量高于IC問題數(shù)量,那一定是電感出問題了,把精力花在查找IC問題上只是在浪費(fèi)時(shí)間而已。

在上面探討的過程中,我們的焦點(diǎn)集中在電流的強(qiáng)度以及其相關(guān)的影響上,下面探討電流的變化及其影響。

關(guān)于電感器的性能分析和介紹

上圖中,變化的電流流過線圈,由此形成的穿過內(nèi)導(dǎo)體的磁場(chǎng)也是變化的,圍繞內(nèi)部磁力線的導(dǎo)體中會(huì)生成感生電動(dòng)勢(shì)并形成電流,它們就像一個(gè)個(gè)的小漩渦一樣,因而被稱為渦流。這些渦流自然也是一種能量形式,因而會(huì)在導(dǎo)體中形成熱量,我們所用的電磁爐就是利用這個(gè)原理來實(shí)現(xiàn)電熱轉(zhuǎn)換的。電流的變化速度越快,感生電動(dòng)勢(shì)就越大,最后形成的渦流也越大,其發(fā)熱量也越大。

電感器鐵粉芯的主要材質(zhì)是鐵,這是一種典型的導(dǎo)體,既能導(dǎo)磁,也能導(dǎo)電,所以成為了磁性材料的主力,但也因?yàn)槠鋵?dǎo)電能力而導(dǎo)致了渦流問題。鐵粉作為電感器來使用的時(shí)候,由磁滯特性所帶來的問題是一種功率損耗,渦流問題帶來的也是一種損耗,前者稱為磁損,后者稱為鐵損。降低損耗的方法是在鐵粉中加入不同的元素以改變其特性,但也因?yàn)樗硬牧系牟煌胁煌男阅?,有的鐵心適合在低頻下工作,有的鐵心適合在高頻下工作,它們也同時(shí)具有不同的成本結(jié)構(gòu)。當(dāng)把只適合在低頻下工作的電感器使用在高工作頻率下時(shí),電感器的損耗太高,溫升就會(huì)比較高,這樣會(huì)加重電感量衰減的作用。參看下圖可以了解工作頻率和電流(它最后轉(zhuǎn)化為磁感應(yīng)強(qiáng)度B)對(duì)鐵芯損耗的影響。

關(guān)于電感器的性能分析和介紹

由于各種原因造成的電感問題都會(huì)造成溫升提高,使用中很簡(jiǎn)單的做法就是測(cè)量不同電感器在現(xiàn)場(chǎng)的溫度升高狀況,電感器的品質(zhì)狀況或者說選型是否恰當(dāng)?shù)膯栴}很容易就能被看出來了。

在電感電流波形的測(cè)量中,如果一個(gè)電感器進(jìn)入了飽和狀態(tài),其電流就會(huì)發(fā)生急劇升高的狀況,其波形看起來會(huì)有極高的斜率,會(huì)與電感沒有飽和的時(shí)候有非常明顯的差異,很容易就能被鑒別出來。

如果想看看實(shí)際電路中的電感量,這可以通過簡(jiǎn)單的測(cè)量和計(jì)算獲得,因?yàn)槲覀冇袛?shù)學(xué)公式作為基礎(chǔ):

關(guān)于電感器的性能分析和介紹

示波器測(cè)量出t1到t0時(shí)間段電感兩端的電壓差和電流增加值,很容易就可以推算出電感量了。示波器測(cè)量雖然存在很大的測(cè)量誤差,但對(duì)于判斷那些比較明顯的問題來說其精度已經(jīng)足夠了。

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