目录
一、电源电路使用
1、设计实例
二、高频电路中使用
1、选择Q值高的电感器
2、选择自谐振频率高的电感器
3、选择电感偏差小的电感器
三、控制振荡频率
四、确保高频信号的隔离
五、共模轭流线圈
一、电源电路使用
如式(5)所示,电感值及转换器之开关频率都会影响电感涟波电流(ΔiL)。电感涟波电流会流经输出电容,影响输出电容的涟波电流,也因此会影响输出电容的选择,并进而影响输出电压的涟波大小。再者,电感值与输出电容值亦会影响系统之回授设计及负载动态响应。选用较大的电感值,对于电容的电流应力较小,也有利于降低输出电压涟波,且可储存较多能量,然而电感值大就表示其体积大,亦即成本较高。因此,在设计转换器时,电感值的设计就非常重要。
式(5)
由式(5)可知,当输入电压与输出电压差距愈大时,电感涟波电流会愈大,也就是电感设计的最严厉状况(worst-case condition)。再加上其他的归纳分析,降压转换器的电感值设计点通常应选在最大输入电压与满载的条件下。
在设计电感值时须在电感涟波电流及电感尺寸做取舍,在此定义涟波电流因子(电流纹波百分比)(ripple current factor;γ),如式(6):
式(6)
将式(6)代入式(5),则电感值可表示为式(7):
式(7)
根据式(7),当输入与输出电压差距愈大,γ值可以选取较大;反之若输入与输出电压愈接近,γ值设计必须较小。为了电感涟波电流与尺寸之间的取舍,依传统设计经验值,γ通常取0.2到0.5。以下为以RT7276为例说明电感值的计算与市售电感器的选择考虑。
1、设计实例
以RT7276先进恒定导通时间(Advanced Constant On-Time;ACOT®)之同步整流降压转换器来设计,其开关频率为700 kHz,输入电压为4.5V到18V,输出电压为1.05V,满载电流为3A。如上所述,电感值须设计在最大输入电压18V及满载3A的条件下,将γ值取0.35,将上述数值代入式(7),得电感值为:
式(8)
取用一常规标称电感值为1.5 µH的电感。代回式(5)计算电感涟波电流,如下:
式(9)
因此电感的峰值电流为:
式(10)
而电感电流的有效值(IRMS)为
式(11)
因电感涟波成分小,因此电感电流有效值主要为其直流成分,此有效值即作为选择电感额定电流IDC的依据。以80%减额(derating)设计,电感的需求为:
L = 1.5 µH(100 kHz),IDC = 3.77 A,ISAT = 4.34 A
表5所列为可选用之TDK不同系列的电感,尺寸相近但封装结构不同。从表中可知,冲压式电感(SPM6530T-1R5M)的饱和电流及额定电流大,且热阻小、散热佳。另外,冲压式电感的铁芯材质属于铁粉芯,因此相较于加磁胶之半遮蔽式(VLS6045EX-1R5N)及遮蔽式(SLF7055T-1R5N)电感的铁氧体铁芯,具有较好的直流偏置特性。图11为不同电感应用于RT7276先进恒定导通时间之同步整流降压转换器的效率比较,结果显示三者之效率差异并不大。而若考虑散热、直流偏置特性及磁场散逸问题,建议选用SPM6530T-1R5M电感。
表5、TDK不同系列的电感比较
参数 型号 | L(µH) @100 kHz | IDC(A) | ISAT(A) | RDC(mΩ) | ΘTH(˚C/W) |
VLS6045EX-1R5N | 1.5 | 5.3 | 8.2 | 17 | 72 |
SLF7055T-1R5N | 1.5 | 4 | 6.2 | 17.4 | 96 |
SPM6530T-1R5M | 1.5 | 11 | 11.5 | 9.7 | 29 |
图11、不同电感之转换器效率比较
若选用相同封装结构及电感值,而尺寸较小的电感,如SPM4015T-1R5M(4.4x4.1x1.5mm),虽然其体积小,但直流电阻RDC(44.5mΩ)及热阻ΘTH(51˚C/W)较大。对于相同规格之转换器而言,电感所耐受的电流有效值也相同,显然直流电阻大会降低重载时之效率,此外,热阻大即表示散热较差。因此,在选择电感时不可只考虑缩小尺寸带来的效益,还需评估其伴随的缺点。
二、高频电路中使用
将用于RF电路共振的电感器、阻抗进行匹配,选择谐波等方面高频特性好的电感器。
1、选择Q值高的电感器
Q是衡量高频损耗的指标。与电源电路用电感器的铜损一样,考虑的重点是电阻值低。但这里必须要考虑的电阻值并不是直流电阻,而是高频电阻。
高频时趋肤效应(skin effect)趋于明显,因此与导体的截面积相比,增大表面积更加重要。而且,铁芯内的磁通量也存在相同的现象,所以要通过增大线圈直径来降低实效磁阻。
2、选择自谐振频率高的电感器
在高频带,构成电感器的绕线与外部端子等相互影响,会产生微小的杂散电容Cr。Cr与电感器的电感L有发生共振现象的频率(fo),在共振频率以上时,电感器表现出符合电容器特征的阻抗特性。
尽管高频电感器的设计考量周密,但在使用比较大型的电感器和高电感值的电感器时,依然需要加以注意。
电感器生产厂家的产品目录中记载了自共振频率的数据,请确认其能够在所用频率下使用。
3、选择电感偏差小的电感器
在电感器的制造工序中,材料和加工精度免不了出现波动。产品之间和批次之间必然会产生偏差。
在需要为操作偏差确保余量的电路中,与其他元件一样,电感器也要选择偏差小的规格。
三、控制振荡频率
VCO的振荡频率是通过可变电容二极管和反向偏置电压来进行控制。该控制电压线路具备高精度L值,通过使用KOA的[[空心片式电感器KQ可以得到偏差较少的高阻抗,从而实现稳定振荡。
四、确保高频信号的隔离
每台电视机或调谐器内置设备中,都安装有多个高频块。例如,地面数字调谐器和BS/CS调谐器同时存在时,相互的高频信号泄漏会引发意想不到的故障。
这时可以通过在共同连接的DC线路中插入绕线型电感器来进行改善。
KOA的空心片式电感器KQ是贴装性优异的片式产品。
五、共模轭流线圈
是铁氧体磁芯采用两种绕线的EMI(辐射电磁噪声)抑制元件,主要用于电源线以及USB2.0、PCI和LVDS等使用差分信号的接口电路等。作为电子设备的EMI抑制措施,发挥着重要的作用。
共模轭流线圈的特点,是使用噪声与信号的传输模式的差异来去除噪声,因此对信号成分的正常模式没有负面影响,能够选择性地去除作为辐射噪声发生源的共模成分。(图-17)
图-17 共模轭流线圈的原理