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用于汽车DC-DC应用的功率电感器 - 做出正确决策的指南

编辑:东莞市祥如电子有限公司时间:2018-12-07

需要仔细选择汽车DC-DC转换器应用中的电感器,以实现成本,质量和电气性能的正确组合。在本文中,现场应用工程师Smail Haddadi提供了有关如何计算所需规范以及可能进行权衡的指导。    

 

降压或降压 - 升压开关稳压器    

 

汽车电子产品中大约有80种不同的电子应用,每种电子应用都需要自己的稳定电源轨,这些电源轨来自电池电压。这可以通过大型有损“线性”稳压器来实现,但有效的方法是使用“降压”或“降压 - 升压”开关稳压器,因为它可以实现90%以上的效率和紧凑。开关这类稳压器需要一个电感器,并选择正确的部分有时看起来有点神秘所需的计算起源于19 日 - 世纪磁学理论。设计人员希望看到一个方程式,他们可以“插入”他们的性能参数并获得“正确”的电感和电流额定值,以便他们可以从零件目录中进行选择。然而,事情并非如此简单:必须做出一些假设,考虑权衡并经常进行多次设计迭代。即使这样,完美的部件可能无法作为标准配置,需要重新设计才能看到现成的电感器如何适合。    

 

降压稳压器    

 

让我们考虑降压稳压器,其中V in是电池电压,V out是较低电压的处理器电源轨,SW1和SW2交替打开和关闭。简单的传递函数方程是V out = V in .T on /(T on + T off)其中T on是SW1关闭时和T off是它何时开放。电感器在这个等式中没有计算,那么它有什么影响?简单来说,电感需要在SW1打开时存储足够的能量,以便在输出关闭时保持输出。存储的能量可以计算并等同于所需的能量,但实际上还有其他事项需要首先考虑。SW1和SW2的交替切换导致电流在电感器中上升和下降,在平均DC值上形成三角形“纹波电流”。然后,纹波电流陷入C1,当SW1关闭时,它会释放出来。通过电容器ESR的电流产生输出电压纹波。如果这是一个关键参数,并且电容器及其ESR由尺寸或成本确定,则可能会设置纹波电流和电感值。    

 

现代降压转换器    

 

通常选择电容器可提供灵活性。这意味着如果ESR较低,则纹波电流可能很高。然而,这会引起其自身的问题。例如,如果纹波的“波谷”在某些轻负载下接触零并且SW2是二极管,则通常是这样,它会在部分周期内停止导通,并且转换器进入“不连续导通”模式。在这种模式下,传递函数改变并且变得更难以更好地稳定。现代降压转换器通常使用同步整流,其中SW2是MOSEFT,并且当其导通时可以在两个方向上传导漏极电流。这意味着电感可以摆动负极并保持连续导通。    

 

在这种情况下,可以允许峰峰值纹波电流ΔI高,并且根据ΔI= ET / L由电感值设置。E是施加时间T的电感器电压,当E是输出电压时,更容易考虑SW1,Toff的关断时间内发生的情况。ΔI在此时是很大的,因为T off是很大的,具有来自传递函数的MAX高输入电压。例如:max电池电压为18 V,输出为3.3 V,峰峰值纹波为1 A,开关频率为500 kHz,L =5.4μH。这假设SW1和SW2之间没有电压降。在此计算中未计算负载电流。    

 

对目录的简要搜索可能会显示多个部件,其当前评级与所需负载相匹配。但是,重要的是要记住纹波电流叠加在DC值上,这意味着在上面的例子中,电感电流实际上将高于负载电流0.5 A. 有多种方法可以将电感器评估为电流:作为热饱和或磁饱和限制。热限制电感器通常针对给定的温升(通常为40 o C)进行额定,如果可用冷却,则可以在更高的电流下运行。必须在峰值电流下避免饱和,并且极限随温度降低。有必要仔细检查电感数据表曲线,以检查它是热还是饱和度受限。    

 

电感器损耗也是一个重要的考虑因素。损耗主要是欧姆,可以在纹波电流较低时计算。在高纹波电平下,磁芯损耗开始占主导地位,这些很难预测,因为它们取决于波形形状以及频率和温度。对原型进行真正的测试,因为这可能表明较低的纹波电流是实现更佳整体效率所必需的。这将需要更多的电感和更高的直流电阻 - 这是一个迭代过程。    

 

高性能HA66系列    

 

一个很好的起点是TT electronics的高性能HA66系列。它的范围包括5.3μH部分,额定饱和度为2.5 A,允许负载为2 A,纹波为+/- 0.5 A。这些部件非常适合汽车应用,具有TS-16949认证质量体系的公司获得AECQ-200认证。