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Collegamenti Rapidi
Nei convertitori DC-DC ad alta frequenza, un induttore filtra la corrente di ripple sovrapposta all'uscita in corrente continua. Che il convertitore sia a topologia buck, boost o buck-boost, l'induttore smorza il ripple per fornire un'uscita in corrente continua stabile. L'efficienza di un induttore è massima quando le perdite complessive nel ferro e nel rame sono minime. Per ottenere l'efficienza più elevata, ovvero le perdite più basse, selezionando un componente adeguato per smorzare la corrente di ripple, è fondamentale garantire che il nucleo dell'induttore non vada in saturazione e che l'avvolgimento non si surriscaldi quando vi passa la corrente di funzionamento. Questo articolo illustra come valutare le perdite negli induttori e presenta metodi per progettare e selezionare rapidamente induttori ad alta efficienza.
1. Valutazione delle perdite nell'induttore
Valutare le perdite nel nucleo e nel rame di un induttore è piuttosto complesso. Le perdite nel nucleo dipendono generalmente da diversi fattori, come il valore della corrente di ripple, la frequenza di commutazione, il materiale del nucleo, i parametri del nucleo e i traferri presenti nel nucleo. La corrente di ripple e la frequenza di commutazione del circuito dipendono dall'applicazione, mentre il materiale, i parametri e i traferri del nucleo dipendono dall'induttore.
L'equazione più comune per valutare le perdite nel nucleo è l'equazione di Steinmetz:
Dove:
Pvc = Perdita di potenza per unità di volume del nucleo
K, x, y = Costanti del materiale del nucleo
f = Frequenza di commutazione
B = Densità di flusso magnetico
Questa equazione mostra che le perdite nel nucleo (perdite nel ferro) dipendono dalla frequenza (f) e dalla densità di flusso magnetico (B). Poiché la densità di flusso magnetico dipende dalla corrente di ripple, entrambe sono variabili dipendenti dall'applicazione. Le perdite nel nucleo sono inoltre correlate all'induttore stesso, poiché il materiale del nucleo determina le costanti K, x e y. Inoltre, la densità di flusso magnetico è determinata congiuntamente dall'area efficace del nucleo (Ae) e dal numero di spire (N). Pertanto, le perdite nel nucleo dipendono sia dall'applicazione sia dalla progettazione specifica dell'induttore.
Al contrario, il calcolo della perdita di potenza in continua nel rame è relativamente semplice:
Dove:
Pdc = perdita di potenza in continua (W)
Idc_rms = corrente efficace dell'induttore (A)
DCR = resistenza in continua dell'avvolgimento dell'induttore (Ω)
La valutazione delle perdite in rame in corrente alternata è più complessa, poiché queste aumentano a causa della maggiore resistenza in corrente alternata causata dall'effetto pelle e dall'effetto prossimità alle alte frequenze. Una curva di ESR (Resistenza Serie Equivalente) o ACR (Resistenza in Corrente Alternata) può mostrare un certo aumento della resistenza a frequenze più elevate. Tuttavia, queste curve sono tipicamente misurate a livelli di corrente molto bassi e quindi non includono le perdite nel ferro risultanti dalla corrente di ripple, il che rappresenta una causa comune di fraintendimenti.
Ad esempio, si consideri la curva ESR rispetto alla Frequenza mostrata nella Figura 1.
Figura 1. ESR rispetto alla Frequenza
Secondo questo grafico, l'ESR è molto elevato al di sopra di 1 MHz. L'utilizzo di questa induttanza a frequenze superiori sembrerebbe comportare perdite in rame molto elevate, rendendola una scelta inadeguata. In un'applicazione reale, tuttavia, la perdita effettiva dell'induttore è molto inferiore rispetto a quanto suggerito da questa curva.
Si consideri il seguente esempio:
Si supponga che un convertitore abbia un'uscita di 5V a 0,4A (2,0W) e una frequenza di commutazione di 200 kHz. Un'induttanza di 10µH Codaca è stato selezionato un induttore, con la tipica relazione ESR rispetto alla frequenza mostrata nella Figura 1. Alla frequenza operativa di 200 kHz, l'ESR è approssimativamente 0,8 Ω.
Per un convertitore buck, la corrente media nell'induttore è uguale alla corrente di carico di 0,4 A. Possiamo calcolare la perdita nell'induttore come:
6,0% = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (l'induttore consumerebbe il 6% della potenza in ingresso)
Tuttavia, se facciamo funzionare lo stesso convertitore a 4 MHz, possiamo vedere dalla curva dell'ESR che R è circa 11 Ω. La perdita di potenza nell'induttore sarebbe allora:
46,8% = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (l'induttore consumerebbe il 46,8% della potenza in ingresso)
Sulla base di questo calcolo, sembrerebbe che questo induttore non debba essere utilizzato a questa frequenza o superiore.
In pratica, l'efficienza del convertitore è molto migliore di quella calcolata sulla base della curva ESR-frequenza. Ecco perché:
La Figura 2 mostra un'onda di corrente semplificata per un convertitore buck in modalità conduzione continua con una piccola corrente di ripple.
Figura 2. Forma d'onda semplificata della corrente del convertitore Buck
Supponendo che l'Ip-p (corrente di ripple picco-picco) sia circa il 10% della corrente media:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Per valutare accuratamente la perdita dell'induttore, questa deve essere suddivisa in perdita a bassa frequenza (perdita in continua) e perdita ad alta frequenza.
La resistenza a bassa frequenza (che equivale effettivamente alla DCR) è approssimativamente 0,7 Ω secondo il grafico. La corrente è il valore efficace (RMS) della corrente di carico più la corrente di ripple. Poiché la corrente di ripple è piccola, la corrente efficace è approssimativamente uguale alla corrente di carico in continua.
Per la perdita ad alta frequenza, ciò significa 
, R è l'ESR (200 kHz), dove I è semplicemente il valore efficace (rms) della corrente di ripple:
A 200 kHz, la perdita in alternata è:
Pertanto, a 200 kHz, la perdita totale prevista dell'induttore è 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
La perdita prevista a 200 kHz è solo leggermente superiore (meno dell'1%) rispetto alla perdita prevista dalla DCR.
Ora, calcoliamo la perdita a 4 MHz. La perdita a bassa frequenza rimane invariata a 0,112 W.
Il calcolo della perdita in corrente alternata deve utilizzare l'ESR a 4 MHz, che in precedenza abbiamo stimato essere di 11Ω:
Pertanto, la perdita totale dell'induttore a 4 MHz è 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
Questo risultato è molto più indicativo. La perdita prevista è solo circa il 1,3% superiore rispetto alla perdita DCR, molto al di sotto dei 1,76 W precedentemente predetti. Inoltre, non si utilizzerebbe lo stesso valore di induttanza a 4 MHz rispetto a 200 kHz; si impiegherebbe un valore di induttanza inferiore, e anche la DCR di questo induttore più piccolo sarebbe minore.
2. Progettazione di induttori ad alta efficienza
Per convertitori in modalità di corrente continua in cui la corrente di ripple è piccola rispetto alla corrente di carico, è necessario eseguire un calcolo delle perdite ragionevole utilizzando una combinazione di DCR ed ESR. Inoltre, la perdita calcolata dalla curva ESR non include la perdita nel ferro. L'efficienza di un induttore è determinata dalla somma delle perdite nel rame e nel ferro. Codaca ottimizza l'efficienza degli induttori selezionando materiali a bassa perdita e progettando induttori per una perdita totale minima. L'uso di avvolgimenti con filo piatto offre il DCR più basso all'interno di una dimensione data, riducendo le perdite nel rame. Materiali avanzati del nucleo riducono le perdite nel nucleo ad alte frequenze, aumentando così l'efficienza complessiva dell'induttore.
Ad esempio, La serie CSEG di Codaca di induttori stampati è ottimizzata per applicazioni ad alta frequenza e corrente di picco elevata. Questi induttori presentano caratteristiche di saturazione morbida offrendo al contempo le minori perdite in alternata e un DCR più basso a frequenze di 200 kHz e superiori.
La Figura 3 mostra le caratteristiche di induttanza rispetto alla corrente per induttori da 3,8/3,3 µH della serie. CSBX , CSEC , e CSEB le serie CSBX, CSEC e CSEB sono chiaramente le scelte migliori per mantenere l'induttanza a correnti di 12 A o superiori.
Tabella 1. Confronto tra DCR e Isat per le serie CSBX, CSEC e CSEB.
Confrontando le perdite in corrente alternata e le perdite totali degli induttori a 200 kHz, la serie CSEB, grazie alla sua struttura innovativa che supera tutti i progetti precedenti, raggiunge le perdite in continua e in alternata più basse. Ciò rende la serie CSEB la scelta ottimale per applicazioni di convertitori di potenza ad alta frequenza che devono sopportare correnti di picco elevate richiedendo al contempo le minori perdite possibili in continua e in alternata.
Figura 3. Confronto tra curve di corrente di saturazione e corrente di innalzamento termico per induttori da 3,8/3,3 μH delle serie CSBX, CSEC e CSEB.
Figura 4. Confronto tra perdite in corrente alternata e perdite totali a 200 kHz per le serie CSBX, CSEC e CSEB.
3. Strumento rapido di selezione dell'induttore
Per accelerare il processo di selezione degli induttori per gli ingegneri, Codaca ha sviluppato strumenti di selezione in grado di calcolare le perdite sulla base dei dati misurati relativi al nucleo e agli avvolgimenti per ogni possibile condizione di applicazione. I risultati di questi strumenti includono le perdite nel nucleo e negli avvolgimenti dipendenti dalla corrente e dalla frequenza, eliminando la necessità di richiedere informazioni proprietarie sulla progettazione degli induttori (come materiale del nucleo, Ae e numero di spire) o di eseguire calcoli manuali.
Gli strumenti di selezione Codaca calcolano il valore di induttanza richiesto in base alle condizioni operative come tensione di ingresso/uscita, frequenza di commutazione, corrente media e corrente di ripple. Inserendo queste informazioni nel nostro Power Inductor Finder, è possibile filtrare gli induttori che soddisfano tali requisiti, con l'induttanza, la DCR, la corrente di saturazione, la corrente di innalzamento termico, la temperatura operativa e altre informazioni elencate per ciascun induttore.
Se conosci già l'induttanza e la corrente richieste per la tua applicazione, puoi inserire queste informazioni direttamente nel Power Inductor Finder . I risultati mostreranno le perdite nel nucleo e negli avvolgimenti e la corrente di saturazione di ciascun induttore, consentendoti di verificare se l'induttore rimarrà vicino alle sue specifiche progettuali nelle condizioni di corrente di picco dell'applicazione.
Gli strumenti possono inoltre essere utilizzati per tracciare il comportamento dell'induttanza rispetto alla corrente, al fine di confrontare le differenze e i vantaggi di diversi tipi di induttore. Puoi iniziare ordinando i risultati in base alla perdita totale. Disporre tutte le informazioni sugli induttori (fino a quattro tipi) su un singolo grafico e ordinarle facilita questa analisi, permettendoti di selezionare l'induttore più efficiente.
Il calcolo della perdita totale può essere complesso, ma questi calcoli sono integrati negli strumenti di selezione Codaca, rendendo la selezione, il confronto e l'analisi il più semplice possibile, così da poter scegliere in modo più efficiente un induttore di potenza ad alta efficienza.
【Riferimenti】:
Sito web Codaca: Selezione dell'induttore per convertitore DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Sito web Codaca: Trova induttori di potenza - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Sito web Codaca: Confronto delle perdite degli induttori di potenza - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)