Ve vysokofrekvenčních DC-DC měničích tlumivka filtruje zvlněný proud překrývající se s výstupním stejnosměrným proudem. Ať už jde o klesající, stoupající nebo kombinovanou topologii měniče, tlumivka vyhlazuje zvlnění a poskytuje stabilní stejnosměrný výstup. Účinnost tlumivky je nejvyšší, když jsou celkové ztráty v železe a mědi minimální. Pro dosažení maximální účinnosti – tedy nejnižších ztrát – je klíčové při výběru vhodné součástky pro vyhlazení zvlněného proudu zajistit, aby jádro tlumivky nesaturaci a její vinutí se při provozním proudu nepřehřívalo. Tento článek představuje způsob hodnocení ztrát tlumivky a uvádí metody návrhu a rychlého výběru vysokoúčinných tlumivek.
1. Hodnocení ztrát tlumivky
Vyhodnocení ztrát jádra a měděných ztrát u cívky je poměrně složité. Ztráty v jádru obvykle závisí na několika faktorech, jako je hodnota zvlnění proudu, spínací frekvence, materiál jádra, parametry jádra a vzduchové mezery v jádru. Zvlnění proudu a spínací frekvence obvodu závisí na aplikaci, zatímco materiál jádra, parametry a vzduchové mezery jsou závislé na cívce.
Nejběžnější rovnice pro vyhodnocení ztrát v jádru je Steinmetzova rovnice:
Kde:
Pvc = Ztrátový výkon na jednotku objemu jádra
K, x, y = Konstanty materiálu jádra
f = Spínací frekvence
B = Magnetická toková hustota
Tato rovnice ukazuje, že ztráty v jádře (železné ztráty) závisí na frekvenci (f) a magnetické indukci (B). Protože magnetická indukce závisí na zvlnění proudu, jsou obě veličiny závislé na konkrétním použití. Ztráty v jádře souvisí také s cívkou samotnou, protože materiál jádra určuje konstanty K, x a y. Navíc je magnetická indukce společně určena efektivní plochou jádra (Ae) a počtem závitů (N). Ztráty v jádře tedy závisí jak na aplikaci, tak na konkrétním návrhu cívky.
Naopak výpočet ztrát měděného vinutí při stejnosměrném proudu je poměrně jednoduchý:
Kde:
Pdc = ztráta stejnosměrného výkonu (W)
Idc_rms = efektivní hodnota proudu cívky (A)
DCR = odpor vinutí cívky při stejnosměrném proudu (Ω)
Hodnocení ztrát v mědi při střídavém proudu je složitější, protože zvyšují odpor způsobený skin efektem a blízkostním efektem při vysokých frekvencích. Křivka ESR (ekvivalentní sériový odpor) nebo ACR (střídavý odpor) může ukázat určité zvýšení odporu při vyšších frekvencích. Tyto křivky jsou však obvykle měřeny při velmi nízkých úrovních proudu a proto nezahrnují železné ztráty způsobené zvlněním proudu, což je běžným zdrojem nedorozumění.
Například vezměme křivku ESR vs. Frekvence znázorněnou na Obrázku 1.
Obrázek 1. ESR vs. Frekvence
Podle tohoto grafu je ESR velmi vysoký nad 1 MHz. Použití tohoto induktoru nad touto frekvencí by se zdálo vést k velmi vysokým ztrátám v mědi, což by jej činilo nevhodnou volbou. Ve skutečné aplikaci jsou však skutečné ztráty induktoru mnohem nižší, než co tato křivka naznačuje.
Uvažujme následující příklad:
Předpokládejme, že měnič má výstup 5 V při 0,4 A (2,0 W) a spínací frekvenci 200 kHz. Indukčnost 10 µH Codaca je vybrán induktor s typickým vztahem ESR v závislosti na frekvenci, který je znázorněn na obrázku 1. Při provozní frekvenci 200 kHz činí ESR přibližně 0,8 Ω.
U buck měniče je průměrný proud induktoru roven zátěžovému proudu 0,4 A. Ztrátu v induktoru můžeme vypočítat jako:
6,0 % = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (Induktor by spotřeboval 6 % vstupního výkonu)
Pokud však stejný měnič provozujeme na frekvenci 4 MHz, lze z křivky ESR vidět, že R je přibližně 11 Ω. Výkonová ztráta v induktoru by pak byla:
46,8 % = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (Induktor by spotřeboval 46,8 % vstupního výkonu)
Na základě tohoto výpočtu se zdá, že tento induktor by neměl být použit při této nebo vyšší frekvenci.
Ve skutečnosti je účinnost měniče mnohem lepší, než vyplývá z výpočtu podle křivky ESR-frekvence. Důvod je následující:
Obrázek 2 ukazuje zjednodušený průběh proudu buck měniče v režimu spojité vodivosti s malým zvlněním proudu.
Obrázek 2. Zjednodušený průběh proudu snižujícího měniče
Předpokládejme, že Ip-p (vlnivý proud špička-špička) je přibližně 10 % průměrného proudu:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Pro přesné vyhodnocení ztráty na cívce musí být tato rozdělena na ztrátu nízké frekvence (DC ztráta) a ztrátu vysoké frekvence.
Odpor nízké frekvence (který je efektivně DCR) je z grafu přibližně 0,7 Ω. Proud představuje efektivní hodnotu zatěžovacího proudu včetně vlnivé složky. Protože vlnivý proud je malý, je efektivní proud přibližně roven stejnosměrnému zatěžovacímu proudu.
Pro ztrátu vysoké frekvence platí, že 
, R je ESR (200 kHz), kde I je pouze efektivní hodnota vlnivého proudu:
Při 200 kHz jsou střídavé ztráty:
Celkové předpokládané ztráty na cívce jsou tedy při 200 kHz rovny 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
Předpokládaná ztráta při 200 kHz je o něco vyšší (méně než 1 %) ve srovnání se ztrátou předpovídanou DCR.
Nyní vypočítáme ztrátu při 4 MHz. Ztráta při nízké frekvenci zůstává stejná, tedy 0,112 W.
Pro výpočet střídavé ztráty je nutné použít ESR při 4 MHz, které jsme dříve odhadli na 11 Ω:
Celková ztráta cívky při 4 MHz je tedy 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
To je mnohem vypovídající. Předpokládaná ztráta je pouze přibližně o 1,3 % vyšší než ztráta DCR, což je mnohem nižší hodnota než dříve předpokládaných 1,76 W. Navíc by se při 4 MHz nepoužila stejná hodnota indukčnosti jako při 200 kHz; použila by se menší hodnota indukčnosti a také DCR této menší cívky by bylo nižší.
2. Návrh cívky s vysokou účinností
U měničů v režimu spojitého proudu, kde je zvlnění proudu malé ve srovnání s proudem zátěže, musí být proveden přiměřený výpočet ztrát pomocí kombinace DCR a ESR. Navíc ztráta vypočtená z křivky ESR nezahrnuje železné ztráty. Účinnost cívky je určena součtem jejích měděných a železných ztrát. Společnost Codaca optimalizuje účinnost cívek výběrem materiálů s nízkými ztrátami a návrhem cívek pro minimální celkové ztráty. Použití vinutí plochým drátem poskytuje nejnižší DCR v daném rozměru, čímž snižuje měděné ztráty. Vylepšené materiály jádra snižují ztráty jádra při vysokých frekvencích, čímž zvyšují celkovou účinnost cívky.
Například, Série CSEG společnosti Codaca se lisovanými výkonovými cívkami je optimalizována pro aplikace s vysokou frekvencí a vysokými špičkovými proudy. Tyto cívky mají měkké nasycení a nabízejí nejnižší střídavé ztráty a nižší DCR při frekvencích 200 kHz a vyšších.
Obrázek 3 znázorňuje závislost indukčnosti na proudu pro cívky 3,8/3,3 µH z řady CSBX , CSEC , a CSEB cSBX, CSEC a CSEB jsou zřejmě nejlepší volbou pro udržení indukčnosti při proudech 12 A nebo vyšších.
Tabulka 1. Porovnání DCR a Isat pro řady CSBX, CSEC a CSEB.
Při porovnání střídavých ztrát a celkových ztrát cívek při frekvenci 200 kHz dosahuje řada CSEB díky inovativní konstrukci, která překonává všechny předchozí návrhy, nejnižších ztrát stejnosměrného i střídavého proudu. To činí řadu CSEB optimální volbou pro aplikace vysokofrekvenčních měničů napětí, které musí odolávat vysokým špičkovým proudům a zároveň vyžadují co nejnižší ztráty stejnosměrného i střídavého proudu.
Obrázek 3. Porovnání křivek saturace proudu a proudu při nárůstu teploty pro cívky 3,8/3,3 μH z řad CSBX, CSEC a CSEB.
Obrázek 4. Porovnání střídavých ztrát a celkových ztrát při 200 kHz pro řady CSBX, CSEC a CSEB.
3. Nástroj pro rychlý výběr cívky
Pro urychlení výběru tlumivek pro inženýry vyvinula společnost Codaca výběrové nástroje, které mohou vypočítat ztráty na základě naměřených dat jádra a vinutí pro každou možnou provozní podmínku. Výsledky těchto nástrojů zahrnují ztráty jádra a vinutí závislé na proudu a frekvenci, čímž odpadá potřeba požadovat proprietární informace o návrhu tlumivky (např. materiál jádra, Ae a počet závitů) nebo provádět manuální výpočty.
Výběrové nástroje Codaca vypočítají požadovanou hodnotu indukčnosti na základě provozních podmínek, jako je vstupní/výstupní napětí, spínací frekvence, průměrný proud a vlnivý proud. Zadáním těchto informací do našeho vyhledávače výkonových tlumivek můžete filtrovat tlumivky, které splňují tyto požadavky, přičemž jsou uvedeny indukčnost, DCR, proud nasycení, proud zvýšení teploty, provozní teplota a další informace pro každou tlumivku.
Pokud již znáte požadovanou indukčnost a proud pro vaši aplikaci, můžete tyto údaje přímo zadat do Power Inductor Finder výsledky zobrazí ztráty jádra a vinutí a hodnocení saturace proudu pro každou cívku, což vám umožní ověřit, zda cívka bude při špičkových podmínkách proudu v aplikaci zůstat blízko svým návrhovým specifikacím.
Tyto nástroje lze také použít k vykreslení závislosti indukčnosti na proudu, abyste mohli porovnat rozdíly a výhody různých typů cívek. Můžete začít tím, že budete výsledky řadit podle celkových ztrát. Umístění veškerých informací o cívkách (až čtyř typů) na jeden graf a jejich řazení usnadňuje tuto analýzu a umožňuje vám vybrat nejúčinnější cívku.
Výpočet celkových ztrát může být složitý, ale tyto výpočty jsou integrovány do výběrových nástrojů Codaca, takže výběr, porovnání a analýza jsou co možná nejjednodušší a vy můžete efektivněji vybrat vysokou účinnost mající výkonovou cívku.
【Odkazy】:
Webové stránky Codaca: Výběr induktoru DC/DC měniče - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Webové stránky Codaca: Hledač výkonových induktorů - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Webové stránky Codaca: Porovnání ztrát výkonových induktorů - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
EN