功率电感器基础讲座——第3章:什么是DC-DC转换器的重要特性

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在第2章中,已对DC-DC转换器的分类和工作原理进行了说明。然而,仅靠这些说明并不能明确解释功率电感器的必要特性。为了明确DC-DC转换器的重要特性与功率电感器的必要特性的关联,需要对DC-DC转换器所需的重要特性进行探讨。

3.1 DC-DC转换器的重要特性

DC-DC转换器需具备多种特性,而由于功率电感器的性能会对其产生较大的影响,因此尤其需要具备以下3个重要特性。 

即①效率、②纹波电压、③负载响应。

接下来,将对这些特性的具体内容及其与功率电感器的关系进行说明。

图3-1 DC-DC转换器的重要特性

图3-1 DC-DC转换器的重要特性

3.2 效率

首先就功率进行说明。在理想的无损耗DC-DC转换器中,输入功率与输出功率相等。此时效率为100%。然而,在实际的DC-DC转换器中,仅PDC-DC的部分会消耗功率,因此输出功率小于输入功率。效率可用以下公式表示。PDC-DC越小,效率就越高。

此外,本章中所述的“效率”不仅限于功率电感器的效率,而是指DC-DC转换器整体的效率。

公式表示图3-2-1 DC-DC转换器的功耗

图3-2-1 DC-DC转换器的功耗

图3-2-2为效率测量结果的示例。流过负载的电流(Iout)会因应用领域而发生各种变化,因此多置于X轴。

图3-2-2 DC-DC转换器的效率示例

图3-2-2 DC-DC转换器的效率示例

在DC-DC转换器中消耗的功率PDC-DC大致可分为以下三种:PIC、PPI、Pother。PIC为IC产生的损耗,包括开关损耗和由ON电阻导致的损耗等。PPII为电感器产生的损耗。Pother为电容器的ESR导致的损耗等其他损耗。

因工作条件和IC性能而异,PPI有时可占整体功耗PDC-DC的大约50%。因此,其对于功率电感器的效率影响较大,需具备低损耗的特性。

图3-2-3 电源负载电阻功耗的具体内容

图3-2-3 电源负载电阻功耗的具体内容

如以下公式所示,电感器损耗PPI可由DC损耗和AC损耗两个部分表示。DC损耗表示因直流电流而产生的损耗,而AC损耗则表示因交流电流而产生的损耗。DC损耗表示因直流电流而产生的线圈导体的损耗,因此与Rdc(直流电阻)成正比。另一方面,AC损耗则与Rac(交流电阻)成正比,除因交流电流而产生的线圈导体的损耗外,还包括被称为铁耗的芯材损耗。此外,频率变高时,导体损耗还会因为趋肤效应呈增加趋势。此处提到的Rac以下述公式表示。Racspan style="font-size: 13px;">1表示因趋肤效应而增加的导体电阻成分,Rac2则表示因芯材而产生的电阻成分。

图3-2-4 电感器损耗的具体内容

图3-2-4 电感器损耗的具体内容

图3-2-5为相对于负载电流的AC损耗和DC损耗的示意图。流过电感器的电流的AC成分取决于输入、输出电压和频率。因此,即使负载电流发生变化,AC损耗量也不会出现较大的变化。另一方面,DC损耗的产生则与负载电流的平方成正比。低负载时电流较小,因此DC损耗也较小,而负载电流增加时,DC损耗也将大幅增加。因此,在低负载范围内AC损耗将起决定性作用,而在高负载范围内,DC损耗则起决定性作用。

图3-2-5 低负载、高负载下的决定性损耗

图3-2-5 低负载、高负载下的决定性损耗

接下来,将通过仿真实验验证功率电感器的电感、Rdc、Rac发生变化时将对效率产生怎样的影响。设定仿真实验的条件时,将移动设备中使用的降压转换器作为假设。

图3-2-6 通过仿真实验进行的效率评估

图3-2-6 通过仿真实验进行的效率评估

图3-2-7为将Rdc从0.01变到2.0Ω的过程中效率的变化结果。低负载时Idc较小,因此即使Rdc发生变化,效率也基本保持不变。然而,由于高负载时Idc较大,因此Rdc的变化将对效率产生较大的影响。

图3-2-7 Rdc对效率的影响

图3-2-7 Rdc对效率的影响


接下来,将显示将Rac从0.1变到10Ω的过程中效率的变化结果。由于Rac会影响AC损耗量,因此在AC损耗起决定性作用的低负载情况下,Rac将对效率产生较大的影响。但在高负载情况下,随着Idc的增加,DC损耗将起决定性作用,因此即使Rac发生变化,效率也基本保持不变。

图3-2-8 Rac对效率的影响

图3-2-8 Rac对效率的影响

最后显示将电感从0.22μH变到2μH的过程中效率的变化结果。同Rac一样,电感也会对AC损耗量产生影响。因此,电感虽然会在低负载时对效率产生较大的影响,但在高负载时却基本不会产生影响。

图3-2-9 电感对效率的影响

图3-2-9 电感对效率的影响

电感之所以会影响效率,是因为流过电感器的电流的AC成分取决于电感。三角波电流的斜率与电感的倒数成正比。因此,电感越大,电流振幅就越小,AC损耗也随之减少。

图3-2-10 电感影响效率的理由

图3-2-10 电感影响效率的理由

综上所述,为了抑制电感器损耗,电感器需具备低负载时低Rac、高电感,高负载时低Rdc的重要特性。

图3-2-11 电感器需具备高效率的特性

图3-2-11 电感器需具备高效率的特性

3.3 纹波电压

第二个重要特性是纹波电压。纹波电压是指输出电压中含有的微量的电压变动成分。这些电压变动与开关频率同步发生。理想情况下的纹波电压为零。这是因为,如果纹波电压变动较大并低于负载端的系统最低工作电压,将会导致系统运作出现异常。近年,DC-DC转换器的低电压、大电流化正呈发展趋势,因此有必要为其提供更加稳定的电压。

图3-3-1 什么是纹波电压

图3-3-1 什么是纹波电压

和验证效率时一样,下面将就电感的变化对纹波电压产生的影响进行调查。

图3-3-2 通过仿真实验进行的纹波电压评估

图3-3-2 通过仿真实验进行的纹波电压评估

通过图3-3-3,可知电感越高,纹波电压的抑制效果就越好。如第2章中所述,电感越高,流过电感器的纹波电流就越能得到抑制,因此输出的纹波电压也会随之减少。须注意的是,电感会因直流叠加特性而下降。使用直流叠加特性较差的元件会导致电感下降、纹波电压增加。因此,很显然在进行选择时要确保Isat大于负载电流。

图3-3-3 纹波电压和电感

图3-3-3 纹波电压和电感

3.4 负载响应

最后一个重要特性是负载响应。DC-DC转换器提供一定的输出电压,但此时流过负载的电流会根据应用领域随时发生变化。电流急剧变化时,输出电压会一时间上升或下降。这一电压变动与电感成正比产生,因此功率电感器的性能将产生较大的影响。该电压变动和恢复设定电压所需的时间被称为负载响应特性,电压变动量较小、可短时间内恢复设定电压的特性通常被认为是良好的负载响应特性。和之前所述的纹波电压一样,该性能对于重视提供稳定电压的DC-DC转换器来说是极为重要的。

图3-4-1 什么是负载响应

图3-4-1 什么是负载响应

下面将使用DC-DC转换器的评估板,分别对各电感的负载响应特性进行评估。

图3-4-2 通过评估板进行的负载响应特性评估

图3-4-2 通过评估板进行的负载响应特性评估


通过测量结果,可知负载电流增减时输出电压会发生变动。并且,由于负载响应特性会因功率电感器的电感而产生,因此电感较低时输出电压的变动将变小,从而可获得较好的负载响应特性。

图3-4-3 负载响应和电感

图3-4-3 负载响应和电感

3.5 与功率电感器的关系

在3.1~3.4中,已针对DC-DC转换器的重要特性——“效率”、“纹波电压”、“负载响应”阐明了功率电感器需要具备的特性。然而,使用高电感的元件虽然可以改善效率和纹波电压,但负载响应也将随之下降。并且,电感增大时,还存在Rdc和Rac也随之增加的问题。如上所述,功率电感器的各种特性条件不可同时满足,因此需要配合个别的工作条件和需求,在选择功率电感器时进行权衡。

村田已在网站中公开了“DC-DC转换器设计支持工具”,可帮助您选择功率电感器。通过使用该工具,可在进行选择时将本章中说明的DC-DC转换器的重要特性纳入考量。在第4章中,将针对该工具及选择功率电感器的案例进行介绍。

图3-5 功率电感器的必要特性总结

图3-5 功率电感器的必要特性总结

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