У статті докладно описані основні параметри і конструктивні особливості котушок індуктивності. Наведені приклади вибору цих пристроїв для понижуючого DC / DC-перетворювача. розраховані їх втрати, а також коротко описані деякі серії котушок індуктивності Bourns.
В даний час електронні вироби споживають все більше електроенергії. При цьому збільшуються вимоги щодо зменшення їх розмірів, що тягне за собою збільшення робочої частоти перетворювачів енергії. Котушки індуктивності, одні з головних компонентів регуляторів напруги, використовуються практично у всіх джерелах живлення, де б вони не застосовувалися: в автомобільній і споживчій електроніці, а також в промислових додатках. Оскільки котушки індуктивності, виготовлені за традиційною технологією, можуть не відповідати всім вимогам, що пред'являються до сучасних виробів, компанія Bourns створила кілька серій цих пристроїв, у яких постійний струм досягає 60 А.
Незважаючи на величезну кількість котушок індуктивності, представлених на сучасному ринку, їх вибір для перетворювача потужності наступного покоління - не завжди просте завдання для розробника. Для правильного вибору котушки індуктивності необхідно визначити її параметри: електромагнітне випромінювання, номінальний струм, матеріал сердечника і втрати в ньому, робочу температуру і струм насичення. Ми розглянемо і проілюструємо прикладами роль кожного з цих параметрів при виборі найкращого варіанта котушки індуктивності, опишемо особливості використання і переваги пристроїв Bourns - їх розміри, параметри, простоту використання - для різних додатків.
ФІЗИЧНІ ОСНОВИ
Коротко опишемо фізичні закономірності роботи котушки індуктивності. Хоча майже всі вони відомі ще з інститутської лави, нагадаємо їх, тому що вони будуть потрібні нам для подальших міркувань. Отже, котушка індуктивності - компонент електричного кола, запасающий енергію в магнітному полі сердечника.
Протікає через індуктивність ток породжує магнітний потік. Поки ключ відкритий, і індуктивність підключена до мережі, струм через індуктивність наростає. Коли індуктивність відключається від мережі, вона стає джерелом струму; відповідно, магнітний потік в сердечнику убуває. Якщо струм через індуктивність не зменшується до нуля, вважається, що схема працює в режимі безперервного струму. Напруга на індуктивності змінюється одночасно зі зміною струму. При цьому струм і напруга не збігаються по фазі - напруга на 180 ° випереджає струм.
ЕКРАНУВАННЯ
Перед вибором індуктора необхідно розташувати на друкованій платі чутливі до перешкод компоненти і ланцюги. Від вирішення цього завдання залежить зв'язок з іншими неекранованими компонентами і контурами. І, навпаки, неекрановані пристрої характеризуються сильної магнітної взаємозв'язком з іншими компонентами і контурами схеми.
Екрановані котушки індуктивності мають великі розмір і вартість, характеризується досить швидким зменшенням індуктивності при збільшенні струму. У них також найменший струм насичення. Неекрановані індуктивності дешевше, у них менше габарити і вище струм насичення. Однак всі ці переваги в ряді випадків можуть не мати значення, коли на перший план виходить збільшення перешкодозахищеності. Полуекранірованние компоненти являють собою компромісне рішення між згаданими вище варіантами.
Альтернативним варіантом можуть стати котушки індуктивності з тороїдальним сердечником. Такий індуктор за своїми характеристиками схожий з екранованим, а повітряний зазор в осерді забезпечує високе значення струму.
НОМІНАЛЬНИЙ ТОК КОТУШКИ індуктивності
При протіканні через індуктивність змінного або пульсуючого струму в ній виникають втрати. У сталому режимі номінальний постійний струм прирівнюється до середньоквадратичного струму Irms, що викликає зростання температури дроселя на 20-40 ° С. По суті, це струм, при якому відбувається таке ж розсіювання потужності на котушці індуктивності. Таке визначення вірно, якщо пульсації струму невеликі і втратами в осерді можна знехтувати. Іноді Irms індуктора класифікують як середньоквадратичний або вихідний струм перетворювача з індуктивністю.
матеріал сердечника і втрати
Втрати в осерді залежать від вибору матеріалу сердечника і площі його поперечного перерізу в тій же мірі, як і від величини пульсуючого струму і від частоти комутації. Втрати в котушці індуктивності визначаються втратами в осерді і в обмотці. Втрати в осерді визначаються як різниця між енергією, запасеної в осерді під час підключення її до мережі, і енергією, яку віддав сердечник в ланцюг при його відключенні від мережі. У таблиці 2 вказані втрати в осерді залежно від матеріалу. Загальні втрати в котушці індуктивності визначаються підсумовуванням втрат в осерді і в обмотці. Останні визначаються виразом P = I2R.
ТЕМПЕРАТУРА І насиченим серцевиною
При виборі діапазону робочих температур слід враховувати, що він в загальному випадку не збігається з діапазоном оточуючих температур, при яких працює індуктор. Наприклад, якщо діапазон робочих температур котушки індуктивності заявлений в межах -40 ... 125 ° С, а її саморозігрів складе 40 ° С, то діапазон температури навколишнього середовища повинен змінюватися в межах -40 ... 85 ° С. Зверніть увагу, що змінюється тільки верхня межа температур, нижній не змінюється.
Таким чином, при струмі насичення осердя котушки індуктивності не перебуває в стані насичення, коли його індуктивність наближається до нуля і стає рівною індуктивності дроселя з немагнітним сердечником. Розробник повинен розглядати цю величину як максимальний піковий струм перетворювача з індуктивністю. Звернемо увагу ще на одну обставину: якщо через котушку індуктивності досить довго протікає великий струм, то і сердечник, і обмотка можуть пошкодитися через перегрів. У більшості випадків саме перегрів є обмежуючим фактором при експлуатації.
ПРИКЛАД ВИБОРУ КОТУШКИ індуктивності
Розглянемо процес вибору котушки індуктивності для понижуючого DC / DC-перетворювача. Робочі параметри перетворювача наступні:
- вхідна напруга Vin = 8-12 В;
- вихідна напруга VO = 5 В;
- вихідний струм IO = 0,5-2 A;
- робоча частота: fswitch = 250 кГц.
Перетворювач працює в режим безперервного струму, тобто ток в дроселі не спадає до нуля. Наведеної інформації досить для вибору індуктора. Розглянемо крок за кроком процес вибору.
1. Розраховуємо період.
2. Визначаємо мінімальний коефіцієнт заповнення.
3. Час відкритого стану ключа S.
4. Струм пульсації індуктивності в безперервному режимі зазвичай не перевищує 30% від максимального вихідного струму.
5. Падіння напруги на котушці індуктивності є різницею між максимальним вхідним і вихідним напругами.
6. Мінімальне значення індуктивності.
7. З огляду на можливе відхилення 20% від номінального значення і зменшення індуктивності на 10-35% при піковому струмі. Вибираємо з ряду номінальних значень котушку з індуктивністю 33 мкГн. Це мінімальне значення для забезпечення режиму безперервного струму.
8. Величину пікового струму знайдемо із співвідношення.
ВИБІР ОПТИМАЛЬНОЇ КОТУШКИ індуктивності
Всю наведену в цій частині інформацію можна знайти в каталогах компанії. Bourns пропонує широкий вибір котушок індуктивності. Їх номінальна величина знаходиться в межах 0,1 мкГн.15 мГн, а номінальний струм змінюється в діапазоні 60 мА. 43 А (ВКВ); при цьому струм насичення досягає 65 А. Щоб вибрати з цієї безлічі необхідну котушку, необхідно послідовно пройти кілька етапів. Нижче наведено метод вибору, пропонований Bourns.
1. Виберіть компоненти, що відповідають вимозі щодо максимального струму.
2. З них відберіть індуктори з необхідним значенням індуктивності.
3. Проведіть відбір по необхідному опору обмотки (DC resistance).
4. Щоб в ще більшому ступені звузити діапазон пошуку, виберіть котушку індуктивності, яка підходить по конструкції або по типу сердечника.
5. Виберіть найменування котушки по каталогу.
6. При необхідності використовуйте таблицю перехресних посилань з новітньою продукцією.
ТЕНДЕНЦІЇ НОВИХ ПРОДУКТІВ BOURNS
Серія SDR. Неекрані-рова силові котушки індуктивності для поверхневого монтажу. Номінальні значення індуктивності знаходяться в межах 0,68 мкГн ... 15 мГн, а величина струму становить 0,06-16 А. Котушки індуктивності випускаються в корпусах різної форми - круглі, овальні, прямокутні; мінімальна висота корпусу: 2,2 мм.
Серія SRN. Полуекра-вані силові котушки індуктивності для поверхневого монтажу. Котушки залиті магнітної епоксидною смолою, що грає роль екрану. Їх електромагнітне випромінювання помітно нижче, ніж у неекранованих індукторів. Вони дешевші і займають менше місця на платі в порівнянні з екранованими індукторами. Мінімальна висота котушки індуктивності: 1 мм. Діапазон номінальних значення індуктивності серії: 0,5470 мкГн. Максимальний струм досягає 10 А.
Серія SRR. Екрановані силові котушки індуктивності для поверхневого монтажу в круглих і прямокутних корпусах. Діапазон номінальних значень індуктивності цієї серії: 0,4715000 мкГн. Токи котушок індуктивності: 0,07-20 А. Пристрої цієї серії добре підходять для портативної техніки, ЖК-дисплеїв, плеєрів і т.д. Котушки індуктивності відповідають вимогам директиви RoHS.
Серія SRU. Нова серія екранованих котушок індуктивності. Їх форма близька до округлої, що спрощує монтаж, а мінімальна висота корпусу досягає 0,9 мм. Унікальна особливість цих котушок індуктивності полягає в тому, що ряд компонентів цієї серії має однакові розміри для монтажу на плату, що дозволяє замінювати пристрої без доробок плати. Восьмикутна форма корпусу дозволяє без помилок здійснювати монтаж, а також зручна для транспортування - зменшує можливість обертання компонентів в стрічкової упаковці. Зауважимо, що екрановані котушки індуктивності великої потужності стають все більш популярними в різних додатках.
Серія SRP. Оскільки котушок індуктивності цього типу призначені для ланцюгів з частотою до 5 МГц, їх обмотка виконаний не круглої, а плоскою дротом. Така обмотка забезпечує компактність пристроїв; вони мають плоску форму, завдяки чому їх можна встановлювати один на одного. Обмотка з плоскою дроту дозволяє використовувати 95% обсягу, що явно перевищує показник використання об'єму в 70% при намотуванні круглої дротом. Крім того, плоска дріт має велику площу поверхні, що зменшує опір змінному струмі. Особливо помітно це проявляється на високій частоті, коли починає позначатися поверхневий ефект, під дією якого струм витісняється з внутрішньої області провідника і розподіляється по його поверхні.
Наведемо приклад. При однаковій площі перетину 0,64 мм 2 площа поверхні обмотки з плоского дроту складе 4,64 мм 2, а з круглого - 2,83 мм 2. Пресований сердечник котушки індуктивності також дозволяє максимально ефективно використовувати його обсяг і зменшити розміри. Простір усередині сердечника заповнене магнітним компаундом, який збільшує індуктивність і одночасно служить екраном.
В даний час компанія готується запровадити більш двох дюжин нових серій силових котушок індуктивності для поверхневого монтажу. Серед них багато спеціально розроблені для автомобільної електроніки. Вони будуть проводитися в екранованому і неекранованому виконаннях і відповідають вимогам стандарту AEC-Q200.
Замовні рішення BOURNS
Щоб доповнити свій більш ніж 40-річний досвід виробництва і розробки котушок індуктивності, компанія Bourns придбала підрозділ електромагнітних компонентів компанії J.W. Miller, за плечима якої вже 70 років лідерства на ринку котушок індуктивності. Наявний у Bourns досвід дозволяє розробляти і виробляти пристрої на вимогу замовника. При цьому весь процес займає всього 6-8 тижнів. Висока кваліфікація інженерів компанії дозволяє розробляти котушки індуктивності, що відповідають всім вимогам замовника, в т.ч. по току, індуктивності, типу сердечника і корпусу.
ВИСНОВОК
Щоб відповідати сучасним вимогам ринку портативної електроніки, необхідно підвищувати надійність і зменшувати розміри котушок індуктивності. Розуміння фізичних принципів роботи дозволяє правильно вибрати силовий індуктор, а не керуватися здогадками. Репутація компанії Bourns не залишає сумніву в тому, що її продукція відповідає всім вимогам, серед яких - гнучкість модифікацій, стандартні монтажні розміри, компактність і т.д. Фахівці компанії зможуть знайти оптимальні рішення для будь-якого замовника.