EN
SZYBKI DOSTĘP
W wysokoczęstotliwościowych konwerterach DC-DC cewka filtruje prąd tętnień nałożony na wyjściowy prąd stały. Niezależnie od tego, czy konwerter ma topologię obniżającą, podwyższającą czy obniżająco-podwyższającą, cewka wygładza tętnienia, zapewniając stabilne napięcie wyjściowe. Sprawność cewki jest najwyższa, gdy sumaryczne straty żelaza i miedzi są minimalne. Aby osiągnąć najwyższą sprawność – to znaczy najniższe straty – poprzez wybór odpowiedniego komponentu do wygładzania prądu tętnień, kluczowe jest zapewnienie, że rdzeń cewki nie ulegnie nasyceniu, a jej uzwojenie nie przegrzeje się przy przepływie prądu roboczego. W artykule przedstawiono sposób oceny strat w cewce oraz metody projektowania i szybkiego doboru wysokosprawnych cewek.
1. Ocena strat w cewce
Ocena strat rdzenia i miedzi w dławiku jest dość skomplikowana. Straty w rdzeniu zależą zazwyczaj od kilku czynników, takich jak wartość prądu tętnienia, częstotliwość przełączania, materiał rdzenia, parametry rdzenia oraz szczeliny powietrzne w rdzeniu. Prąd tętnienia obwodu i częstotliwość przełączania są zależne od zastosowania, natomiast materiał rdzenia, jego parametry oraz szczeliny powietrzne zależą od dławika.
Najczęściej stosowanym równaniem do oceny strat w rdzeniu jest równanie Steinmetza:
Gdzie:
Pvc = Strata mocy na jednostkę objętości rdzenia
K, x, y = Stałe materiału rdzenia
f = Częstotliwość przełączania
B = Gęstość strumienia magnetycznego
To równanie pokazuje, że straty rdzeniowe (straty żelazne) zależą od częstotliwości (f) i gęstości strumienia magnetycznego (B). Ponieważ gęstość strumienia magnetycznego zależy od prądu tętnienia, obie wielkości są zmiennymi uzależnionymi od zastosowania. Straty w rdzeniu są również powiązane z samym dławikiem, ponieważ materiał rdzenia określa stałe K, x oraz y. Co więcej, gęstość strumienia magnetycznego jest jednocześnie określana przez skuteczną powierzchnię rdzenia (Ae) oraz liczbę zwojów (N). Dlatego straty w rdzeniu zależą zarówno od zastosowania, jak i od konkretnej konstrukcji dławika.
W przeciwieństwie do tego, obliczenie strat mocy stałoprądowej w miedzi jest stosunkowo proste:
Gdzie:
Pdc = straty mocy stałoprądowej (W)
Idc_rms = skuteczny prąd dławika (A)
DCR = rezystancja stałoprądowa uzwojenia dławika (Ω)
Ocenianie strat miedziowych prądu przemiennego jest bardziej skomplikowane, ponieważ rosną one wskutek wyższego oporu przemiennego spowodowanego efektem naskórkowym i efektem zbliżenia przy wysokich częstotliwościach. Krzywa ESR (równoległego oporu szeregowego) lub ACR (opór prądu przemiennego) może pokazywać pewien wzrost oporu przy wyższych częstotliwościach. Jednak te krzywe są zazwyczaj mierzone przy bardzo niskich poziomach prądu i dlatego nie obejmują strat żelaza wynikających z prądu tętniącego, co jest powszechnym źródłem nieporozumień.
Na przykład rozważmy krzywą ESR w funkcji częstotliwości przedstawioną na Rysunku 1.
Rysunek 1. ESR w funkcji częstotliwości
Zgodnie z tym wykresem, wartość ESR jest bardzo wysoka powyżej 1 MHz. Użycie tego dławika powyżej tej częstotliwości wydawałoby się prowadzić do bardzo dużych strat miedziowych, co czyniłoby go nieodpowiednim wyborem. W rzeczywistym zastosowaniu jednak faktyczne straty dławika są znacznie niższe niż sugeruje ta krzywa.
Rozważmy następujący przykład:
Załóżmy, że konwerter ma wyjście 5 V przy prądzie 0,4 A (2,0 W) i częstotliwość przełączania 200 kHz. Dławik o indukcyjności 10 µH Codaca wybrano dławik, a jego typowy związek ESR w funkcji częstotliwości pokazano na rysunku 1. Przy częstotliwości pracy 200 kHz wartość ESR wynosi około 0,8Ω.
Dla przetwornicy obniżającej średni prąd przez dławik jest równy prądom obciążenia o wartości 0,4 A. Straty w dławiku można obliczyć jako:
6,0% = 0,128 W / (2,0 W + 0,128 W) (dławik zużywałby 6% mocy wejściowej)
Jeśli jednak uruchomimy tę samą przetwornicę przy częstotliwości 4 MHz, z krzywej ESR wynika, że R wynosi około 11Ω. Strata mocy w dławiku byłaby wtedy równa:
46,8% = 1,76 W / (2,0 W + 1,76 W) (dławik zużywałby 46,8% mocy wejściowej)
Na podstawie tych obliczeń wydaje się, że ten dławik nie powinien być używany przy tej lub wyższej częstotliwości.
W praktyce sprawność przetwornicy jest znacznie lepsza niż ta, którą obliczono na podstawie krzywej ESR-częstotliwość. Oto dlaczego:
Rysunek 2 przedstawia uproszczony przebieg prądu dla przetwornicy obniżającej pracującej w trybie ciągłej przewodności z małym prądem tętnień.
Rysunek 2. Uproszczony przebieg prądu przetwornicy obniżającej
Zakładając, że Ip-p (prąd tętnienia międzyszczytowy) wynosi około 10% prądu średniego:
I_dc = 0,4 A
I_p-p = 0,04 A
Aby dokładnie oszacować straty w dławiku, należy je podzielić na straty niskoczęstotliwościowe (straty stałe) i straty wysokoczęstotliwościowe.
Rezystancja niskoczęstotliwościowa (czyli efektywnie DCR) wynosi około 0,7Ω zgodnie z wykresem. Prąd jest wartością skuteczną prądu obciążenia plus prądu tętnienia. Ponieważ prąd tętnienia jest mały, prąd efektywny jest w przybliżeniu równy prądowi stałemu obciążenia.
W przypadku strat wysokoczęstotliwościowych, to znaczy 
, R to ESR (200 kHz), gdzie I to jedynie wartość skuteczna prądu tętnienia:
Przy częstotliwości 200 kHz straty prądu przemiennego wynoszą:
Dlatego przy częstotliwości 200 kHz całkowite przewidywane straty dławika wynoszą 0,112 W + 0,000106 W = 0,112106 W.
Przewidywane straty przy 200 kHz są tylko nieco wyższe (mniej niż 1%) niż straty przewidywane na podstawie DCR.
Obliczmy teraz straty przy częstotliwości 4 MHz. Straty niskoczęstotliwościowe pozostają nadal takie same i wynoszą 0,112 W.
Do obliczenia strat prądu przemiennego należy użyć wartości ESR przy 4 MHz, którą wcześniej oszacowano na 11 Ω:
W związku z tym całkowite straty cewki indukcyjnej przy 4 MHz wynoszą 0,112 W + 0,00147 W = 0,11347 W.
To znacznie bardziej wymowne. Przewidywane straty są tylko o około 1,3% wyższe niż straty DCR, co jest znacznie poniżej wcześniej przewidywanych 1,76 W. Co więcej, nie stosowałoby się tej samej wartości indukcyjności przy 4 MHz co przy 200 kHz; użyto by mniejszej wartości indukcyjności, a DCR takiej mniejszej cewki również byłby niższy.
2. Projekt wysokosprawnej cewki indukcyjnej
W przypadku przetwornic pracujących w trybie ciągłego prądu, gdzie prąd tętnienia jest mały w porównaniu do prądu obciążenia, konieczne jest wykonanie rozsądnego obliczenia strat przy użyciu kombinacji DCR i ESR. Ponadto straty obliczone na podstawie krzywej ESR nie obejmują strat żelaznych. Sprawność dławika jest określana jako suma jego strat miedziowych i żelaznych. Codaca optymalizuje sprawność dławików poprzez dobór niskich materiałów o niskich stratach oraz projektowanie dławików minimalizujących całkowite straty. Zastosowanie uzwojeń z drutu płaskiego zapewnia najniższe DCR w danej wielkości, redukując tym samym straty miedziane. Ulepszone materiały rdzeniowe zmniejszają straty w rdzeniu przy wysokich częstotliwościach, zwiększając ogólną sprawność dławika.
Na przykład, Seria CSEG firmy Codaca to formowane dławiki zasilające zoptymalizowane do zastosowań o wysokiej częstotliwości i dużym prądzie szczytowym. Te dławiki charakteryzują się miękkimi cechami nasycenia, oferując jednocześnie najniższe straty prądu przemiennego oraz niższe DCR przy częstotliwościach 200 kHz i wyższych.
Rysunek 3 przedstawia zależność indukcyjności od prądu dla cewek o wartości 3,8/3,3 µH z serii CSBX , CSEC , oraz CSEB serii. Seria CSBX, CSEC i CSEB to wyraźnie najlepszy wybór pod względem utrzymania indukcyjności przy prądach równych lub wyższych niż 12 A.
Tabela 1. Porównanie rezystancji DCR i prądu nasycenia Isat dla serii CSBX, CSEC i CSEB.
W porównaniu strat przemiennych oraz całkowitych strat cewek przy częstotliwości 200 kHz, seria CSEB, dzięki innowacyjnej konstrukcji przewyższającej wszystkie poprzednie projekty, osiąga najniższe straty stałe i zmienne. To sprawia, że seria CSEB jest optymalnym wyborem w zastosowaniach konwerterów mocy o wysokiej częstotliwości, które muszą wytrzymać duże prądy szczytowe i jednocześnie wymagają możliwie najniższych strat stałych i przemiennych.
Rysunek 3. Porównanie krzywych prądu nasycenia i prądu powodującego wzrost temperatury dla cewek 3,8/3,3 μH z serii CSBX, CSEC i CSEB.
Rysunek 4. Porównanie strat przemiennych i całkowitych strat przy częstotliwości 200 kHz dla serii CSBX, CSEC i CSEB.
3. Narzędzie szybkiego doboru cewek
Aby przyspieszyć proces doboru dławików dla inżynierów, firma Codaca opracowała narzędzia selekcyjne, które mogą obliczać straty na podstawie zmierzonych danych rdzenia i uzwojenia dla każdego możliwego warunku pracy. Wyniki tych narzędzi obejmują zależne od prądu i częstotliwości straty w rdzeniu i uzwojeniu, co eliminuje konieczność żądania poufnych informacji dotyczących projektowania dławików (takich jak materiał rdzenia, Ae oraz liczba zwojów) lub wykonywania ręcznych obliczeń.
Narzędzia doboru firmy Codaca obliczają wymaganą wartość indukcyjności na podstawie warunków pracy, takich jak napięcie wejściowe/wyjściowe, częstotliwość przełączania, prąd średni oraz prąd tętnienia. Poprzez wprowadzenie tych danych do naszego Power Inductor Finder można filtrować dławiki spełniające te wymagania, przy czym dla każdego dławika podane są jego indukcyjność, DCR, prąd nasycenia, prąd wzrostu temperatury, temperatura pracy oraz inne informacje.
Jeśli znasz już wymaganą indukcyjność i prąd dla swojej aplikacji, możesz wprowadzić te informacje bezpośrednio do Power Inductor Finder . Wyniki pokazują straty w rdzeniu i uzwojeniu oraz wartość prądu nasycenia dla każdego dławika, umożliwiając sprawdzenie, czy dławik będzie zachowywał się zgodnie ze specyfikacją projektową w warunkach maksymalnego prądu aplikacji.
Narzędzia te mogą również służyć do tworzenia wykresów zależności indukcyjności od prądu, co pozwala porównać różnice i zalety różnych typów dławików. Możesz rozpocząć analizę, sortując wyniki według całkowitych strat. Umieszczenie wszystkich informacji o dławikach (do czterech typów) na jednym wykresie i ich posortowanie ułatwia tę analizę, umożliwiając wybór najbardziej wydajnego dławika.
Obliczenie całkowitych strat może być skomplikowane, ale te obliczenia są wbudowane w narzędzia doboru Codaca, dzięki czemu dobór, porównanie i analiza są jak najprostsze, a Ty możesz wydajniej wybrać wysokowydajny dławik mocy.
【Odnośniki】:
Strona Codaca: Dobór induktora przetwornicy DC/DC - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Strona Codaca: Wyszukiwarka induktorów mocy - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)
Strona Codaca: Porównanie strat induktorów mocy - Shenzhen Codaca Electronics Co., Ltd. (codaca.com)