איך לבחור ביעילות מוליכי הספק בעלי יעילות גבוהה בממירי DC-DC

בממירי DC-DC בתדר גבוה, סליל מסנן את זרם הגלים שמשורטט על מוצא ה-DC. בין אם הממיר הוא מסוג buck, boost או buck-boost, הסליל משקיע את גל הזרם ומספק מוצא DC יציב. יעילות הסליל היא מקסימלית כאשר אובדן הברזל והנחושת במקביל מינימליים. כדי להשיג את היעילות הגבוהה ביותר – כלומר, את האובדן הנמוך ביותר – על ידי בחירת רכיב טוב ליציבות זרם הגלים, חשוב לוודא שליבת הסליל לא תגיע להצטברות מגנטית ולא יתחמם יותר מדי כשזרם העבודה עובר דרכו. 글 מחזה כיצד להעריך אובדן סליל ומציג שיטות לעיצוב ולבחירת מהירה של סלילים יעילים.

1. הערכת אובדן סליל

הערכת איבדי ליבה וחוט נחושת של סליל היא תהליך מורכב למדי. איבדי הליבה תלויים בדרך כלל בכמה גורמים, כגון ערך זרם הגלים, תדר המיתוג, חומר הליבה, פרמטרי הליבה והפערים האוויריים בליבה. זרם הגלים של המעגל ותדר המיתוג תלויים ביישום, בעוד שматם הליבה, הפרמטרים והפערים האוויריים תלויים בסליל.

המשוואה הנפוצה ביותר להערכת איבדי ליבה היא משוואת שטיינמץ:

כאשר:‏

Pvc = איבודقدرة ליחידת נפח של הליבה

K, x, y = קבועי חומר הליבה

f = תדר מיתוג

B = צפיפות שטף מגנטי

משוואה זו מראה שאובדן ליבה (אובדן ברזל) תלוי בתדר (f) בצפיפות השטף המגנטי (B). מכיוון שצפיפות השטף המגנטי תלויה בזרם הרטט, שני המשתנים הללו תלויים ביישום. אובדן הליבה קשור גם למוליך עצמו, שכן חומר הליבה קובע את הקבועים K, x ו-y. יתר על כן, צפיפות השטף המגנטי נקבעת באופן משותף על ידי שטח הליבה האפקטיבי (Ae) ובמספר הכריכות (N). לכן, אובדן הליבה תלוי גם ביישום וגם בעיצוב הספציפי של הסליל.

לחלופין, חישוב אובדן נחושת DC הוא פשוט יחסית:

כאשר:‏

Pdc = אובדן הספק DC (W)

Idc_rms = זרם RMS של הסליל (A)

DCR = התנגדות DC של סליל הסליל (Ω)

הערכת אובדן נחושת ב-AC היא מורכבת יותר, שכן האובדן גדל עקב התנגדות ה-AC הגבוהה יותר הנגרמת באפקט העור ובאפקט הקרבה בתדרים גבוהים. עקומה של ESR (התנגדות סדרתית שקולה) או ACR (התנגדות AC) עלולה להראות עלייה בהתנגדות בתדרים גבוהים. עם זאת, עקומות אלו בדרך כלל נמדדות ברמות זרם נמוכות מאוד ולכן אינן כוללות את אובדן הברזל הנובע מזרם הרipple, מה שמהווה נקודת אי הבנה נפוצה.

לדוגמה, נבחן את עקומת ה-ESR כתלות בתדירות המוצגת באיור 1.

איור 1. ESR לעומת תדירות

לפי גרף זה, ה-ESR הוא גבוה מאוד מעל 1 MHz. שימוש בסליל זה מעל תדירות זו יראה כאילו גורר אובדן נחושת גבוה מאוד, מה שהופך אותו לבחירה לא מתאימה. ביישום בשטח, עם זאת, האיבוד בפועל של הסליל נמוך בהרבה ממה שהעקומה מראה.

נבחן את הדוגמה הבאה:

נניח שממיר מספק פלט של 5V ב-0.4A (2.0W) ותדירות przełączון של 200 kHz. סליל של 10µH Codaca נבחר סליל, עם עקומת ESR טיפוסית לעומת תדירות כפי שמתואר בתרשים 1. בתדירות הפעולה של 200 קילוהרץ, ערך ה-ESR הוא בערך 0.8Ω.

למעבד הורדה, הזרם הממוצע בסליל שווה לזרם העומס של 0.4 אמפר. ניתן לחשב את האיבודים בסליל באופן הבא:

6.0% = 0.128 וואט / (2.0 וואט + 0.128 וואט) (הסליל יצרוך 6% מהספק הקלט)

עם זאת, אם נפעיל את אותו מעבד בתדירות של 4 מגהרצ', ניתן לראות מעקומת ה-ESR כי R הוא בערך 11Ω. איבודי ההספק בסליל יהיו אז:

46.8% = 1.76 וואט / (2.0 וואט + 1.76 וואט) (הסליל יצרוך 46.8% מהספק הקלט)

בהתבסס על החישוב הזה, נראה כי סליל זה לא צריך לשמש בתדירות זו או גבוהה יותר.

בפועל, היעילות של המעבד טובה בהרבה מהחישוב שנעשה לפי עקומת ESR-תדירות. הנה למה:

תרשים 2 מציג גל זרם מפושט למעבד הורדה במצב מוליכות רציפה עם זרם גלי קטן.

איור 2. צורת גל זרם מפחת בוק מופשטת

בהנחה ש- Ip-p (זרם ריפל מקסימום-למקסימום) הוא בערך 10% מהזרם הממוצע:

I_dc = 0.4 A

I_p-p = 0.04 A

כדי להעריך بدقة את אובדן הסליל, יש לחלק אותו לאובדן בתדר נמוך (אובדן DC) ולאובדן בתדר גבוה.

ההתנגדות בתדר נמוך (שהיא בפועל DCR) היא בערך 0.7Ω מהגרף. הזרם הוא ערך ה-RMS של זרם העומס בתוספת זרם הריפל. מכיוון שזרם הריפל קטן, הזרם האפקטיבי שווה בקירוב לזרם העומס DC.

לאובדן בתדר גבוה, כלומר , R הוא ESR (200kHz), כאשר I הוא רק ערך ה-rms של זרם הריפל:

בתדר 200 kHz, אובדן ה-AC הוא:

לכן, ב-200 kHz, אובדן הסליל הכולל החזוי הוא 0.112 וואט + 0.000106 וואט = 0.112106 וואט.

ההפסד החזוי בתדירות 200 קילוהרץ גבוה במעט (פחות מ-1%) מההפסד שנצפה מההתנגדות התחומה (DCR).

כעת, נחשב את ההפסד בתדירות 4 מגהרץ. הפסדי התדר הנמוך נשארים זהים, 0.112 וואט.

חישוב הפסדי ה-AC חייב להשתמש בהתנגדות השקועה (ESR) בתדירות 4 מגהרץ, אותה הערכנו קודם כ-11Ω:

לכן, סך כל הפסדי הסליל בתדירות 4 מגהרץ הוא 0.112 וואט + 0.00147 וואט = 0.11347 וואט.

זה הרבה יותר דוקאי. ההפסד החזוי גבוה רק בבערך 1.3% מההפסד הנגרם על ידי DCR, וזה רחוק מאוד מה-1.76 וואט שחושבו קודם לכן. יתר על כן, לא היו משתמשים באותו ערך השראות בתדירות 4 מגהרץ כמו ב-200 קילוהרץ; היה נעשה שימוש בערך השראות קטן יותר, וה-DCR של הסליל הקטן יותר גם יהיה נמוך יותר.

2. עיצוב סליל בעל יעילות גבוהה

עבור המרת מצב זרם רציף, שבו זרם הגלים קטן יחסית לזרם העומס, יש לבצע חישוב אובדן סביר באמצעות שילוב של DCR ו-ESR. בנוסף, האובדן המחושב מגרף ה-ESR אינו כולל אובדן ברזל. יעילות הסליל נקבעת על ידי סכום אובדני הנחושת והברזל שלו. Codaca משפרת את יעילות הסליל באמצעות בחירה בחומרים עם אובדן נמוך ועיצוב סלילים לאובדן כולל מינימלי. שימוש בסלילים תלת-מימדיים שטוחים מספק את ה-DCR הנמוך ביותר בגודל נתון, ובכך מפחית את אובדן הנחושת. חומרי ליבה משופרים מפחיתים את אובדן הליבה בתדרים גבוהים, ובכך מגדילים את היעילות הכוללת של הסליל.

לדוגמה, סדרת CSEG של Codaca של סלילי הספק מוצקים מואמת עבור יישומים בתדר גבוה ועם זרם שיא גבוה. סלילים אלו מציגים מאפייני רוויה רכים תוך כדי שהם מציעים את אובדן ה-AC הנמוך ביותר ואת ערך DCR נמוך יותר בתדרים של 200 קילוהרץ ואילך.

איור 3 מציג את מאפייני ההשראות לעומת זרם לסלילים של 3.8/3.3 µH מסדרת CSBX , CSEC , ו CSEB הסדרות CSBX, CSEC ו-CSEB הן בבירור הבחירות הטובות ביותר לשמירה על השראות בזרמים של 12A או גבוה יותר.

טבלה 1. השוואה בין DCR ו-Isat עבור הסדרות CSBX, CSEC ו-CSEB.

בעוד משווים את אובדן ה-AC ואת האיבוד הכולל של הסלילים בתדירות 200KHz, סדרת CSEB, עם מבנה חדשני שמשפר את כל העיצובים הקודמים, מגיעה לאובדן DC ו-AC הנמוך ביותר. זה הופך את סדרת CSEB לבחירה האופטימלית ליישומי ממירי הספק בתדר גבוה שצריכים לעמוד בזרמי שיא גבוהים תוך דרישה לאובדן DC ו-AC הנמוך ביותר האפשרי.

איור 3. השוואה בין עקומות זרם רוויה ועליית חום לטמפרטורה לסלילי 3.8/3.3μH בסדרות CSBX, CSEC ו-CSEB.

איור 4. השוואה בין אובדן AC ואובדן כולל בתדירות 200KHz לסדרות CSBX, CSEC ו-CSEB.

3. כלי בחירה מהירה של סליל

כדי להאיץ את תהליך הבחירה של מוליכי השראה עבור מהנדסים, פיתחה Codaca כלים לבחירה שיכולים לחשב איבודים בהתבסס על נתוני ליבה ותיל שנמדדו לכל תנאי יישום אפשריים. התוצאות מכלים אלו כוללות איבודי ליבה ואיבודי תיל התלויים בזרם ובתדירות, מה שמונע את הצורך לבקש מידע עיצובי מוגן של מוליכי השראה (כמו חומר הליבה, Ae, ומספר הכריכות) או לבצע חישובים ידניים.

כלים לבחירה של Codaca מחשבים את ערך ההשראות הנדרש בהתבסס על תנאי פעולה כמו מתח כניסה/יציאה, תדירות מת alternation, זרם ממוצע, וזרם גלי. על ידי הזנת מידע זה לתוך כלי החיפוש שלנו למוליכי שראה חשמליים, ניתן לסנן מוליכי שראה המקיימים את דרישות אלו, כאשר השראות, DCR, זרם רוויה, זרם עליית חום, טמפרטורת עבודה, ומידע נוסף מוצגים עבור כל מוליך שראה.

אם אתה כבר יודע את ההשראות והזרם הדרושים ליישום שלך, תוכל להזין מידע זה ישירות ל- Power Inductor Finder התוצאות יראו את איבדי הליבה והכריכה ואת דירוג זרם הסתור של כל השראן, מה שיאפשר לך לבדוק אם ההשראן ישאר קרוב לمواصفות העיצוב שלו בתנאי זרם שיא של היישום.

הכלים יכולים גם לשמש ליצירת גרף של השראות כתלות בזרם כדי להשוות בין ההבדלים והיתרונות של סוגי השראנים השונים. ניתן להתחיל על ידי מיון התוצאות לפי אובדן כולל. הצגת כל פרטי ההשראנים (עד ארבעה סוגים) על תרשים אחד ומיונם עוזרת בניתוח זה, ומאפשרת לך לבחור את ההשראן היעיל ביותר.

חישוב האובדן הכולל יכול להיות מורכב, אך חישובים אלו משולבים בכלים לבחירה של Codaca, מה שעושה את הבחירה, ההשוואה והניתוח פשוטים ככל האפשר, כדי שתוכל לבחור בצורה יעילה יותר השראן עוצמה בעל יעילות גבוהה.

תייחסות:

אתר האינטרנט של Codaca: בחירת אינדוקטור המרת DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)

אתר האינטרנט של קודקה: מוצא אינדוקטור כוח-שנז'ן קודקה אלקטרוניקה קו, LTD (codaca.com)

אתר האינטרנט של Codaca: השוואת אובדן אינדוקטור כוח-שנז'ן Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)