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關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

其中的電感量(Inductance)一欄給出了2.2μH±20%的規格,但它的測試條件卻是10kHz/100mV,從這個條件猜測這個參數是用普通的LCR測試儀采用諧振法來進行測試的。這樣的測試條件和具體的工作條件可能是差很遠的,為什么呢?很簡單,普通的DC/DC轉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A,在這些條件下,這個電感量還會是準確的嗎?

思考之下的發現從規格書中就開始了,這份規格書給出了如下信息

關于電感器的性能分析和介紹

果然,當電流不同的時候,電感量是不同的。在上面的參數表中規定:當電感量變化量達到-10%時,這個電感已經被判定為飽和了,此時的電流為3.38A(典型值)。

實際上,隨著電流的增長,電感器的電感量會有一個很大的變化范圍,下面的這幅圖來自電感器制造商伍爾特,其中的數據全部來自實際的電感器測試資料,供你參考:

關于電感器的性能分析和介紹

電感器的核心材料是鐵粉芯,當流過線圈的電流生成磁場時,磁場激發出的鐵粉芯中的磁感應強度增加,但是隨著電流和磁場的增長,由此激發出的磁感應強度的增長越來越少,直至內部磁疇全都向著同一方向時,磁感應強度就再也無法增長了,這種現象被稱為飽和,此時的電感量將急劇下降,同一電壓下的電流增長速度將急劇增加,但卻不能作為磁能儲存下來。在Buck應用中,這種多出來的電流在通過電感時使得電感發熱量大增,同時又流入輸出電容和負載,因而在負載端表現出巨大的電壓紋波,可能對負載的工作產生巨大的影響。如果這樣的狀況出現在Boost應用中,這個電路幾乎就一定會崩潰了,由于輸入的電能不能轉化為傳遞到輸出端的能量,占空比將持續增加,使整個狀況越來越惡化,最后一定是不可收拾的,控制部分及時介入進行保護才可能避免最壞的情況發生。

熱量的累積會使電感器溫度升高,溫升又會造成磁場轉化為磁感應強度能力的降低,所以,一個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問題的發生:線圈的絕緣受到破壞。我們能夠容易地測量到的電感器溫度都是電感器的表面溫度,它的內部溫度通常來說更高,線圈絕緣層在高溫作用下熔化以后,很容易就會出現匝間短路,而電感量是與線圈的匝數的平方成正比的,這將造成災難性的后果,上述的所有問題都會進一步惡化,還會帶來別的連帶問題。

我們都知道DC/DC轉換器會有過流保護這一功能,會在偵測到電感電流達到過流保護閾值時及時關斷開關,但是從偵測到過流到執行完關斷動作之間總是需要一定的時間的,如果電感量太小而使電流增長速度太快,這段執行的時間里電流就可能增長到IC無法承受的程度,IC的損壞也就是順理成章的了。

其實還有一個因素會使得電感太小所帶來的影響擴大化,這可能是不太被注意的。每一次DC/DC開關動作都會帶來一些電路中的電流切換過程,這個過程可能會帶來極大的電路噪聲,為了避免這些噪聲的影響,IC的設計中可能會在開關動作以后插入一個不進行電流測量的時間段,太小的電感可能讓電感電流在這段時間里就增長到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發生,但其損壞幾率會低于電感出問題的幾率。如果在實踐中看到電感問題數量高于IC問題數量,那一定是電感出問題了,把精力花在查找IC問題上只是在浪費時間而已。

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

關于電感器的性能分析和介紹

上圖中,變化的電流流過線圈,由此形成的穿過內導體的磁場也是變化的,圍繞內部磁力線的導體中會生成感生電動勢并形成電流,它們就像一個個的小漩渦一樣,因而被稱為渦流。這些渦流自然也是一種能量形式,因而會在導體中形成熱量,我們所用的電磁爐就是利用這個原理來實現電熱轉換的。電流的變化速度越快,感生電動勢就越大,最后形成的渦流也越大,其發熱量也越大。

電感器鐵粉芯的主要材質是鐵,這是一種典型的導體,既能導磁,也能導電,所以成為了磁性材料的主力,但也因為其導電能力而導致了渦流問題。鐵粉作為電感器來使用的時候,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,但也因為所加材料的不同而有不同的性能,有的鐵心適合在低頻下工作,有的鐵心適合在高頻下工作,它們也同時具有不同的成本結構。當把只適合在低頻下工作的電感器使用在高工作頻率下時,電感器的損耗太高,溫升就會比較高,這樣會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(它最后轉化為磁感應強度B)對鐵芯損耗的影響。

關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造成溫升提高,使用中很簡單的做法就是測量不同電感器在現場的溫度升高狀況,電感器的品質狀況或者說選型是否恰當的問題很容易就能被看出來了。

在電感電流波形的測量中,如果一個電感器進入了飽和狀態,其電流就會發生急劇升高的狀況,其波形看起來會有極高的斜率,會與電感沒有飽和的時候有非常明顯的差異,很容易就能被鑒別出來。

如果想看看實際電路中的電感量,這可以通過簡單的測量和計算獲得,因為我們有數學公式作為基礎:

關于電感器的性能分析和介紹

示波器測量出t1到t0時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。示波器測量雖然存在很大的測量誤差,但對于判斷那些比較明顯的問題來說其精度已經足夠了。

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