Dalam penukar DC-DC frekuensi tinggi, satu induktor menapis arus riak yang bertindih pada output DC. Sama ada penukar tersebut menggunakan topologi pengurang (buck), penaik (boost), atau pengurang-naik (buck-boost), induktor ini melicinkan riak untuk memberikan output DC yang stabil. Kecekapan induktor adalah paling tinggi apabila kehilangan besi dan tembaga digabungkan berada pada tahap minimum. Untuk mencapai kecekapan tertinggi—iaitu kehilangan terendah—dengan memilih komponen yang baik untuk melicinkan arus riak, adalah penting untuk memastikan teras induktor tidak keterlaluan (saturate) dan lilitannya tidak terlalu panas apabila arus operasi mengalir melaluinya. Artikel ini memperkenalkan cara menilai kehilangan induktor serta membentangkan kaedah untuk merekabentuk dan memilih induktor cekap tinggi dengan cepat.
1. Penilaian Kehilangan Induktor
Menilai kehilangan teras dan tembaga pada satu induktor adalah agak kompleks. Kehilangan teras biasanya bergantung kepada beberapa faktor, seperti nilai arus riak, frekuensi pensuisan, bahan teras, parameter teras, dan ruang udara dalam teras. Arus riak litar dan frekuensi pensuisan bergantung kepada aplikasi, manakala bahan teras, parameter dan ruang udara bergantung kepada induktor.
Persamaan yang paling biasa digunakan untuk menilai kehilangan teras ialah persamaan Steinmetz:
Di mana:
Pvc = Kehilangan kuasa per unit isi padu teras
K, x, y = Pemalar bahan teras
f = Frekuensi pensuisan
B = Ketumpatan fluks magnet
Persamaan ini menunjukkan bahawa kehilangan teras (kehilangan besi) bergantung kepada frekuensi (f) dan ketumpatan fluks magnet (B). Memandangkan ketumpatan fluks magnet bergantung kepada arus riak, kedua-duanya adalah pemboleh ubah yang bergantung kepada aplikasi. Kehilangan teras juga berkaitan dengan induktor itu sendiri, kerana bahan teras menentukan pemalar K, x, dan y. Selain itu, ketumpatan fluks magnet ditentukan bersama oleh keluasan teras berkesan (Ae) dan bilangan lilitan (N). Oleh itu, kehilangan teras bergantung kepada kedua-dua aplikasi dan rekabentuk khusus induktor.
Sebaliknya, pengiraan kehilangan tembaga AT adalah agak mudah:
Di mana:
Pdc = Kehilangan kuasa AT (W)
Idc_rms = Arus RMS induktor (A)
DCR = Rintangan AT bagi lilitan induktor (Ω)
Menilai kehilangan tembaga AC adalah lebih kompleks, kerana ia meningkat disebabkan oleh rintangan AC yang lebih tinggi akibat kesan kulit dan kesan hampiran pada frekuensi tinggi. Keluk ESR (Rintangan Siri Setara) atau ACR (Rintangan AC) mungkin menunjukkan peningkatan rintangan pada frekuensi yang lebih tinggi. Walau bagaimanapun, keluk ini biasanya diukur pada tahap arus yang sangat rendah dan dengan itu tidak termasuk kehilangan besi yang disebabkan oleh arus riak, yang merupakan salah satu kesilapan faham yang lazim.
Sebagai contoh, pertimbangkan keluk ESR lawan Frekuensi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
Rajah 1. ESR lawan Frekuensi
Berdasarkan graf ini, ESR adalah sangat tinggi di atas 1 MHz. Menggunakan induktor ini pada frekuensi tersebut seolah-olah akan menghasilkan kehilangan tembaga yang sangat tinggi, menjadikannya pilihan yang tidak sesuai. Namun dalam aplikasi dunia sebenar, kehilangan sebenar induktor adalah jauh lebih rendah daripada yang dicadangkan oleh keluk ini.
Pertimbangkan contoh berikut:
Anggapkan sebuah penukar mempunyai output 5V pada 0.4A (2.0W) dan frekuensi pensuisan 200 kHz. Satu 10µH Codaca induktor dipilih, dengan hubungan ESR tipikal lawan Frekuensi seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1. Pada frekuensi operasi 200 kHz, ESR adalah kira-kira 0.8Ω.
Bagi penukar buck, arus purata induktor adalah sama dengan arus beban iaitu 0.4 A. Kita boleh mengira kehilangan kuasa dalam induktor sebagai:
6.0% = 0.128W / (2.0W + 0.128W) (Induktor akan menggunakan 6% daripada kuasa masukan)
Namun, jika kita mengendalikan penukar yang sama pada 4 MHz, kita boleh lihat daripada lengkung ESR bahawa R adalah kira-kira 11Ω. Kehilangan kuasa dalam induktor kemudiannya adalah:
46.8% = 1.76W / (2.0W + 1.76W) (Induktor akan menggunakan 46.8% daripada kuasa masukan)
Berdasarkan pengiraan ini, nampaknya induktor ini tidak sepatutnya digunakan pada atau di atas frekuensi ini.
Dalam amalan, kecekapan penukar jauh lebih baik daripada yang dikira daripada lengkung ESR-frekuensi. Inilah sebabnya:
Rajah 2 menunjukkan bentuk gelombang arus ringkas bagi penukar buck dalam mod konduksi berterusan dengan arus riak yang kecil.
Rajah 2. Gelombang Arus Penukar Buck Ringkas
Dengan mengandaikan Ip-p (arus riak puncak-ke-puncak) adalah sekitar 10% daripada arus purata:
I_dc = 0.4 A
I_p-p = 0.04 A
Untuk menilai kehilangan induktor dengan tepat, ia perlu dibahagikan kepada kehilangan frekuensi rendah (kehilangan DC) dan kehilangan frekuensi tinggi.
Rintangan frekuensi rendah (yang berkesan sebagai DCR) adalah kira-kira 0.7Ω dari graf tersebut. Arus ini adalah nilai RMS arus beban ditambah arus riak. Memandangkan arus riak adalah kecil, arus berkesan adalah hampir sama dengan arus beban DC.
Bagi kehilangan frekuensi tinggi, iaitu 
, R ialah ESR (200kHz), di mana I hanyalah nilai punca min kuasa dua (rms) bagi arus riak:
Pada 200 kHz, kehilangan AC ialah:
Oleh itu, pada 200 kHz, jumlah kehilangan induktor yang diramalkan adalah 0.112 W + 0.000106 W = 0.112106 W.
Kehilangan yang diramalkan pada 200 kHz hanya sedikit lebih tinggi (kurang daripada 1%) berbanding kehilangan yang diramalkan oleh DCR.
Sekarang, mari kita hitung kehilangan pada 4 MHz. Kehilangan frekuensi rendah kekal sama pada 0.112 W.
Pengiraan kehilangan AC mesti menggunakan ESR pada 4 MHz, yang sebelumnya kami anggarkan sebagai 11Ω:
Oleh itu, jumlah kehilangan induktor pada 4 MHz ialah 0.112 W + 0.00147 W = 0.11347 W.
Ini lebih memberi gambaran. Kehilangan yang diramalkan hanya kira-kira 1.3% lebih tinggi daripada kehilangan DCR, yang jauh lebih rendah berbanding ramalan sebelumnya iaitu 1.76 W. Tambahan pula, seseorang tidak akan menggunakan nilai induktans yang sama pada 4 MHz seperti pada 200 kHz; nilai induktans yang lebih kecil akan digunakan, dan DCR bagi induktor yang lebih kecil itu juga akan lebih rendah.
2. Reka Bentuk Induktor Berkecekapan Tinggi
Untuk penukar mod arus berterusan di mana arus riak adalah kecil berbanding arus beban, pengiraan kehilangan yang munasabah mesti dilakukan dengan menggunakan gabungan DCR dan ESR. Selain itu, kehilangan yang dikira daripada lengkung ESR tidak termasuk kehilangan besi. Kecekapan satu induktor ditentukan oleh jumlah kehilangan tembaga dan besinya. Codaca mengoptimumkan kecekapan induktor dengan memilih bahan-bahan berkehilangan rendah dan mereka bentuk induktor untuk mencapai jumlah kehilangan minimum. Menggunakan lilitan wayar rata memberikan DCR terendah dalam saiz tertentu, mengurangkan kehilangan tembaga. Bahan teras yang diperbaiki mengurangkan kehilangan teras pada frekuensi tinggi, seterusnya meningkatkan kecekapan keseluruhan induktor.
Sebagai contoh, Induktor kuasa bercetak siri CSEG daripada Codaca dioptimumkan untuk aplikasi frekuensi tinggi dan arus puncak tinggi. Induktor ini menampilkan ciri lembek jenuh sambil menawarkan kehilangan AC terendah dan DCR yang lebih rendah pada frekuensi 200 kHz dan ke atas.
Rajah 3 menunjukkan ciri-ciri induktans melawan arus untuk induktor 3.8/3.3 µH daripada siri CSBX , CSEC , dan CSEB siri CSBX, CSEC, dan CSEB jelas merupakan pilihan terbaik untuk mengekalkan induktans pada arus 12A atau lebih tinggi.
Jadual 1. Perbandingan DCR dan Isat untuk CSBX, CSEC, dan CSEB.
Apabila membandingkan kehilangan AC dan jumlah kehilangan induktor pada 200 kHz, siri CSEB, dengan struktur inovatifnya yang melebihi semua rekabentuk sebelumnya, mencapai kehilangan DC dan AC terendah. Ini menjadikan siri CSEB pilihan optimum untuk aplikasi penukar kuasa frekuensi tinggi yang perlu menahan arus puncak tinggi sambil memerlukan kehilangan DC dan AC serendah mungkin.
Rajah 3. Perbandingan Lengkung Arus Saturasi dan Arus Kenaikan Suhu untuk Induktor 3.8/3.3μH dalam Siri CSBX, CSEC, dan CSEB.
Rajah 4. Perbandingan Kehilangan AC dan Jumlah Kehilangan pada 200 kHz untuk Siri CSBX, CSEC, dan CSEB.
3. Alat Pemilihan Cepat Induktor
Untuk mempercepat proses pemilihan induktor bagi jurutera, Codaca telah membangunkan alat pemilihan yang boleh mengira kehilangan berdasarkan data teras dan lilitan yang diukur bagi setiap keadaan aplikasi yang mungkin. Keputusan daripada alat ini termasuk kehilangan teras dan lilitan yang bersandar kepada arus dan frekuensi, menghapuskan keperluan untuk meminta maklumat rekabentuk induktor istimewa (seperti bahan teras, Ae, dan bilangan pusingan) atau melakukan pengiraan secara manual.
Alat pemilihan Codaca mengira nilai kearuhan yang diperlukan berdasarkan keadaan operasi seperti voltan masukan/keluaran, frekuensi pensuisan, arus purata, dan arus riak. Dengan memasukkan maklumat ini ke dalam Pengimbas Induktor Kuasa kami, anda boleh menapis induktor yang memenuhi keperluan ini, dengan kearuhan setiap induktor, DCR, arus saturasi, arus kenaikan suhu, suhu operasi, dan maklumat lain disenaraikan.
Jika anda sudah mengetahui nilai induktans dan arus yang diperlukan untuk aplikasi anda, anda boleh memasukkan maklumat ini terus ke dalam Pencari Induktor Kuasa . Keputusan akan memaparkan kehilangan teras dan lilitan serta penarafan arus saturasi bagi setiap induktor, membolehkan anda mengesahkan sama ada induktor tersebut akan kekal hampir dengan spesifikasi reka bentuknya di bawah keadaan arus puncak aplikasi.
Alat ini juga boleh digunakan untuk memplot kelakuan induktans berbanding arus bagi membandingkan perbezaan dan kelebihan pelbagai jenis induktor. Anda boleh mula dengan menyusun keputusan mengikut jumlah kehilangan. Meletakkan semua maklumat induktor (sehingga empat jenis) pada satu carta tunggal dan menyusunnya membantu analisis ini, membolehkan anda memilih induktor yang paling cekap.
Mengira jumlah kehilangan boleh menjadi rumit, tetapi pengiraan ini telah dibina dalam alat pemilihan Codaca, menjadikan pemilihan, perbandingan, dan analisis sesederhana mungkin, supaya anda boleh memilih induktor kuasa berkecekapan tinggi dengan lebih efisien.
【Rujukan】:
Laman Web Codaca: Pemilihan Induktor Penukar DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Laman Web Codaca: Pencari Induktor Kuasa - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Laman Web Codaca: Perbandingan Kehilangan Induktor Kuasa - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
EN