tin tức

Bản tóm tắt

Cuộn cảm là thành phần rất quan trọng trong các bộ chuyển đổi chuyển mạch, chẳng hạn như bộ lưu trữ năng lượng và bộ lọc nguồn. Có nhiều loại cuộn cảm, chẳng hạn như dành cho các ứng dụng khác nhau (từ tần số thấp đến tần số cao), hoặc các vật liệu lõi khác nhau ảnh hưởng đến đặc tính của cuộn cảm, v.v. Cuộn cảm được sử dụng trong bộ biến đổi chuyển mạch là thành phần từ tính tần số cao. Tuy nhiên, do nhiều yếu tố khác nhau như vật liệu, điều kiện hoạt động (như điện áp và dòng điện) và nhiệt độ môi trường xung quanh nên các đặc tính và lý thuyết được trình bày khá khác nhau. Do đó, trong thiết kế mạch, ngoài tham số cơ bản của giá trị điện cảm, mối quan hệ giữa trở kháng của cuộn cảm với điện trở và tần số AC, tổn hao lõi và đặc tính dòng bão hòa, v.v. vẫn phải được xem xét. Bài viết này sẽ giới thiệu một số vật liệu lõi cuộn cảm quan trọng và đặc tính của chúng, đồng thời hướng dẫn các kỹ sư điện lựa chọn cuộn cảm tiêu chuẩn có bán trên thị trường.

Lời nói đầu

Cuộn cảm là một thành phần cảm ứng điện từ, được hình thành bằng cách quấn một số cuộn dây (cuộn) nhất định trên suốt chỉ hoặc lõi bằng dây cách điện. Cuộn dây này được gọi là cuộn dây cảm ứng hay cuộn cảm. Theo nguyên lý cảm ứng điện từ, khi cuộn dây và từ trường chuyển động tương đối với nhau hoặc cuộn dây tạo ra từ trường xoay chiều thông qua dòng điện xoay chiều sẽ tạo ra một điện áp cảm ứng để chống lại sự biến đổi của từ trường ban đầu, và đặc tính hạn chế sự thay đổi dòng điện này được gọi là độ tự cảm.

Công thức tính giá trị điện cảm như công thức (1), tỷ lệ thuận với độ thấm từ, bình phương của cuộn dây quay N và diện tích mặt cắt mạch từ tương đương Ae và tỷ lệ nghịch với chiều dài mạch từ tương đương le . Có nhiều loại điện cảm, mỗi loại thích hợp cho các ứng dụng khác nhau; độ tự cảm liên quan đến hình dạng, kích thước, phương pháp cuộn dây, số vòng dây và loại vật liệu từ tính trung gian.

(1)

Tùy theo hình dạng của lõi sắt mà điện cảm gồm có hình xuyến, lõi E và trống; Về chất liệu lõi sắt thì chủ yếu có lõi gốm và hai loại từ mềm. Chúng là ferit và bột kim loại. Tùy thuộc vào cấu trúc hoặc phương pháp đóng gói, có loại quấn dây, nhiều lớp và đúc, còn dây quấn có loại không được che chắn và một nửa là keo từ được che chắn (bán che chắn) và được che chắn (được che chắn), v.v.

Cuộn cảm hoạt động giống như đoản mạch dòng điện một chiều và có trở kháng cao đối với dòng điện xoay chiều. Các ứng dụng cơ bản trong mạch bao gồm làm nghẹt, lọc, điều chỉnh và lưu trữ năng lượng. Trong ứng dụng của bộ chuyển đổi chuyển mạch, cuộn cảm là thành phần lưu trữ năng lượng quan trọng nhất và tạo thành bộ lọc thông thấp với tụ điện đầu ra để giảm gợn điện áp đầu ra, do đó nó cũng đóng vai trò quan trọng trong chức năng lọc.

Bài viết này sẽ giới thiệu các vật liệu lõi khác nhau của cuộn cảm và đặc tính của chúng, cũng như một số đặc tính điện của cuộn cảm, như một tài liệu tham khảo đánh giá quan trọng để lựa chọn cuộn cảm trong quá trình thiết kế mạch. Trong ví dụ ứng dụng, cách tính giá trị điện cảm và cách chọn cuộn cảm tiêu chuẩn có bán trên thị trường sẽ được giới thiệu qua các ví dụ thực tế.

Loại vật liệu cốt lõi

Cuộn cảm được sử dụng trong bộ biến đổi chuyển mạch là thành phần từ tính tần số cao. Vật liệu lõi ở trung tâm ảnh hưởng nhiều nhất đến các đặc tính của cuộn cảm, chẳng hạn như trở kháng và tần số, giá trị và tần số điện cảm hoặc đặc tính bão hòa của lõi. Sau đây sẽ giới thiệu sự so sánh của một số vật liệu lõi sắt phổ biến và đặc tính bão hòa của chúng như một tài liệu tham khảo quan trọng để lựa chọn cuộn cảm điện:

1. Lõi gốm

Lõi gốm là một trong những vật liệu điện cảm phổ biến. Nó chủ yếu được sử dụng để cung cấp cấu trúc hỗ trợ khi cuộn dây. Nó còn được gọi là “cuộn cảm lõi không khí”. Do lõi sắt được sử dụng là vật liệu không có từ tính, hệ số nhiệt độ rất thấp nên giá trị điện cảm rất ổn định trong khoảng nhiệt độ hoạt động. Tuy nhiên, do vật liệu không có từ tính làm môi trường nên độ tự cảm rất thấp, không thích hợp cho việc ứng dụng các bộ biến đổi điện.

2. Ferrite

Lõi ferit được sử dụng trong các cuộn cảm tần số cao nói chung là hợp chất ferit chứa kẽm niken (NiZn) hoặc kẽm mangan (MnZn), là một vật liệu sắt từ mềm có độ kháng từ thấp. Hình 1 cho thấy đường cong trễ (vòng BH) của lõi từ nói chung. Lực cưỡng bức HC của vật liệu từ tính còn gọi là lực cưỡng bức, nghĩa là khi vật liệu từ tính đã bị từ hóa đến mức bão hòa từ thì độ từ hóa (từ hóa) của nó giảm xuống bằng 0 cường độ từ trường cần thiết lúc đó. Độ kháng từ thấp hơn có nghĩa là khả năng chống khử từ thấp hơn và cũng có nghĩa là tổn hao từ trễ thấp hơn.

Ferrit mangan-kẽm và niken-kẽm có độ thấm tương đối cao (μr), tương ứng khoảng 1500-15000 và 100-1000. Tính thấm từ cao của chúng làm cho lõi sắt cao hơn ở một thể tích nhất định. Độ tự cảm. Tuy nhiên, nhược điểm là dòng bão hòa có thể chịu được của nó thấp và một khi lõi sắt bão hòa, độ thấm từ sẽ giảm mạnh. Tham khảo Hình 4 để biết xu hướng giảm độ thấm từ của lõi sắt ferit và bột sắt khi lõi sắt bão hòa. So sánh. Khi sử dụng trong cuộn cảm nguồn, một khe hở không khí sẽ được để lại trong mạch từ chính, điều này có thể làm giảm tính thấm, tránh bão hòa và tích trữ nhiều năng lượng hơn; khi bao gồm khe hở không khí, độ thấm tương đối tương đương có thể vào khoảng 20-Từ 200. Vì điện trở suất cao của vật liệu có thể làm giảm tổn thất do dòng điện xoáy gây ra nên tổn thất thấp hơn ở tần số cao và phù hợp hơn với máy biến áp cao tần, cuộn cảm lọc EMI và cuộn cảm lưu trữ năng lượng của bộ biến đổi điện. Về tần số hoạt động, ferrite niken-kẽm phù hợp để sử dụng (>1 MHz), trong khi ferrite mangan-kẽm phù hợp với các dải tần số thấp hơn (<2 MHz).

1

Hình 1. Đường cong trễ của lõi từ (BR: từ dư; BSAT: mật độ từ thông bão hòa)

3. Lõi sắt bột

Lõi sắt bột cũng là vật liệu sắt từ mềm. Chúng được làm bằng hợp kim bột sắt của các vật liệu khác nhau hoặc chỉ có bột sắt. Công thức chứa các vật liệu không từ tính với kích thước hạt khác nhau nên đường cong bão hòa tương đối nhẹ nhàng. Lõi sắt bột chủ yếu có dạng hình xuyến. Hình 2 cho thấy lõi sắt bột và mặt cắt ngang của nó.

Các loại lõi sắt dạng bột thông thường bao gồm hợp kim sắt-niken-molypden (MPP), sendust (Sendust), hợp kim sắt-niken (thông lượng cao) và lõi bột sắt (bột sắt). Do các thành phần khác nhau nên đặc tính và giá cả của nó cũng khác nhau, điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn cuộn cảm. Sau đây sẽ giới thiệu các loại cốt lõi nói trên và so sánh đặc điểm của chúng:

A. Hợp kim sắt-niken-molypden (MPP)

Hợp kim Fe-Ni-Mo được viết tắt là MPP, là tên viết tắt của bột molypermalloy. Độ thấm tương đối là khoảng 14-500 và mật độ từ thông bão hòa là khoảng 7500 Gauss (Gauss), cao hơn mật độ từ thông bão hòa của ferrite (khoảng 4000-5000 Gauss). Nhiều người ra ngoài. MPP có tổn thất sắt nhỏ nhất và có độ ổn định nhiệt độ tốt nhất trong số các lõi sắt bột. Khi dòng điện một chiều bên ngoài đạt đến dòng bão hòa ISAT, giá trị điện cảm giảm chậm mà không bị suy giảm đột ngột. MPP có hiệu suất tốt hơn nhưng giá thành cao hơn và thường được sử dụng làm cuộn cảm nguồn và lọc EMI cho bộ chuyển đổi nguồn.

B. Gửi

Lõi sắt hợp kim sắt-silicon-nhôm là lõi sắt hợp kim bao gồm sắt, silicon và nhôm, có độ thấm từ tương đối khoảng 26 đến 125. Tổn thất sắt nằm giữa lõi bột sắt và MPP và hợp kim sắt-niken . Mật độ từ thông bão hòa cao hơn MPP, khoảng 10500 Gauss. Độ ổn định nhiệt độ và đặc tính dòng bão hòa kém hơn một chút so với MPP và hợp kim sắt-niken, nhưng tốt hơn lõi bột sắt và lõi ferit, và chi phí tương đối rẻ hơn MPP và hợp kim sắt-niken. Nó chủ yếu được sử dụng trong lọc EMI, mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) và cuộn cảm công suất của bộ chuyển đổi nguồn.

C. Hợp kim sắt-niken (thông lượng cao)

Lõi hợp kim sắt-niken được làm từ sắt và niken. Độ thấm từ tương đối là khoảng 14-200. Tổn thất sắt và độ ổn định nhiệt độ nằm giữa MPP và hợp kim sắt-silicon-nhôm. Lõi hợp kim sắt-niken có mật độ từ thông bão hòa cao nhất, khoảng 15.000 Gauss, có thể chịu được dòng điện phân cực DC cao hơn và đặc tính phân cực DC của nó cũng tốt hơn. Phạm vi ứng dụng: Hiệu chỉnh hệ số công suất hoạt động, điện cảm lưu trữ năng lượng, điện cảm của bộ lọc, biến áp tần số cao của bộ chuyển đổi flyback, v.v.

D. Bột sắt

Lõi bột sắt được làm từ các hạt bột sắt có độ tinh khiết cao với các hạt rất nhỏ được cách ly với nhau. Quá trình sản xuất làm cho nó có một khe hở không khí phân tán. Ngoài dạng vòng, các loại lõi bột sắt thông thường còn có dạng E và dạng dập. Độ thấm từ tương đối của lõi bột sắt là khoảng 10 đến 75 và mật độ từ thông bão hòa cao là khoảng 15000 Gauss. Trong số các loại lõi sắt bột thì lõi sắt bột có độ hao hụt sắt cao nhất nhưng giá thành lại thấp nhất.

Hình 3 thể hiện đường cong BH của ferit mangan-kẽm PC47 do TDK sản xuất và lõi sắt dạng bột -52 và -2 do MICROMETALS sản xuất; độ thấm từ tương đối của ferrite mangan-kẽm cao hơn nhiều so với lõi sắt dạng bột và bão hòa. Mật độ từ thông cũng rất khác nhau, ferrite khoảng 5000 Gauss và lõi bột sắt là hơn 10000 Gauss.

3

Hình 3. Đường cong BH của lõi bột mangan-kẽm và sắt của các loại vật liệu khác nhau

Tóm lại, đặc tính bão hòa của lõi sắt là khác nhau; khi vượt quá dòng bão hòa, độ thấm từ của lõi ferit sẽ giảm mạnh, trong khi lõi bột sắt có thể giảm từ từ. Hình 4 cho thấy đặc tính giảm độ thấm từ của lõi sắt bột có cùng độ thấm từ và ferit có khe hở không khí dưới các cường độ từ trường khác nhau. Điều này cũng giải thích độ tự cảm của lõi ferit, vì độ thấm giảm mạnh khi lõi bão hòa, như có thể thấy từ phương trình (1), nó cũng làm cho độ tự cảm giảm mạnh; trong khi lõi bột có khe hở không khí phân bố, tốc độ thấm từ giảm chậm khi lõi sắt bão hòa nên độ tự cảm giảm nhẹ hơn, nghĩa là nó có đặc tính sai lệch DC tốt hơn. Trong ứng dụng bộ chuyển đổi điện, đặc tính này rất quan trọng; nếu đặc tính bão hòa chậm của cuộn cảm không tốt, dòng điện trong cuộn cảm tăng lên đến dòng bão hòa, độ tự cảm giảm đột ngột sẽ khiến ứng suất dòng điện của tinh thể chuyển mạch tăng mạnh, dễ gây hư hỏng.

4

Hình 4. Đặc tính giảm độ thấm từ của lõi sắt bột và lõi sắt ferit có khe hở không khí dưới cường độ từ trường khác nhau.

Đặc tính điện của cuộn cảm và cấu trúc gói

Khi thiết kế bộ chuyển đổi chuyển mạch và chọn cuộn cảm, giá trị điện cảm L, trở kháng Z, điện trở AC ACR và giá trị Q (hệ số chất lượng), dòng điện định mức IDC và ISAT, tổn thất lõi (tổn hao lõi) và các đặc tính điện quan trọng khác đều phải được xem xét. Ngoài ra, cấu trúc bao bì của cuộn cảm sẽ ảnh hưởng đến mức độ rò rỉ từ tính, từ đó ảnh hưởng đến EMI. Sau đây sẽ thảo luận riêng về các đặc điểm nêu trên để cân nhắc lựa chọn cuộn cảm.

1. Giá trị điện cảm (L)

Giá trị độ tự cảm của cuộn cảm là tham số cơ bản quan trọng nhất trong thiết kế mạch, nhưng phải kiểm tra xem giá trị độ tự cảm có ổn định ở tần số hoạt động hay không. Giá trị danh định của điện cảm thường được đo ở tần số 100 kHz hoặc 1 MHz mà không có độ lệch DC bên ngoài. Và để đảm bảo khả năng sản xuất tự động hàng loạt, dung sai của cuộn cảm thường là ±20% (M) và ±30% (N). Hình 5 là đồ thị đặc tính điện cảm-tần số của cuộn cảm Taiyo Yuden NR4018T220M được đo bằng máy đo LCR của Wayne Kerr. Như trong hình, đường cong giá trị điện cảm tương đối bằng phẳng trước 5 MHz và giá trị điện cảm gần như có thể được coi là một hằng số. Ở dải tần cao do cộng hưởng do điện dung và điện cảm ký sinh tạo ra nên giá trị điện cảm sẽ tăng lên. Tần số cộng hưởng này được gọi là tần số tự cộng hưởng (SRF), thường cần phải cao hơn nhiều so với tần số hoạt động.

5

Hình 5, sơ đồ đo đặc tính tần số điện cảm Taiyo Yuden NR4018T220M

2. Trở kháng (Z)

Như được hiển thị trong Hình 6, sơ đồ trở kháng cũng có thể được nhìn thấy từ hiệu suất của cuộn cảm ở các tần số khác nhau. Trở kháng của cuộn cảm xấp xỉ tỷ lệ với tần số (Z=2πfL), do đó tần số càng cao thì điện kháng sẽ lớn hơn nhiều so với điện trở AC, do đó trở kháng hoạt động giống như điện cảm thuần (pha là 90˚). Ở tần số cao, do hiệu ứng điện dung ký sinh nên có thể nhìn thấy điểm tần số tự cộng hưởng của trở kháng. Sau thời điểm này, trở kháng giảm xuống và trở thành điện dung, đồng thời pha dần thay đổi thành -90 ˚.

6

3. Giá trị Q và điện trở AC (ACR)

Giá trị Q trong định nghĩa độ tự cảm là tỷ lệ giữa điện kháng và điện trở, tức là tỷ lệ giữa phần ảo và phần thực của trở kháng, như trong công thức (2).

(2)

Trong đó XL là điện kháng của cuộn cảm và RL là điện trở AC của cuộn cảm.

Ở dải tần số thấp, điện trở AC lớn hơn điện kháng do điện cảm gây ra nên giá trị Q của nó rất thấp; khi tần số tăng, điện kháng (khoảng 2πfL) ngày càng lớn, ngay cả khi điện trở do hiệu ứng da (hiệu ứng da) và hiệu ứng lân cận (gần)) Hiệu ứng ngày càng lớn hơn và giá trị Q vẫn tăng theo tần số ; khi tiếp cận SRF, điện kháng cảm ứng dần dần bị bù đắp bởi điện kháng điện dung và giá trị Q dần dần nhỏ hơn; khi SRF trở về 0, vì điện kháng cảm ứng và điện kháng điện dung hoàn toàn giống nhau Biến mất. Hình 7 thể hiện mối quan hệ giữa giá trị Q và tần số của NR4018T220M và mối quan hệ có dạng hình chuông ngược.

7

Hình 7. Mối liên hệ giữa giá trị Q và tần số của cuộn cảm Taiyo Yuden NR4018T220M

Trong dải tần ứng dụng của điện cảm, giá trị Q càng cao thì càng tốt; điều đó có nghĩa là điện kháng của nó lớn hơn nhiều so với điện trở AC. Nói chung, giá trị Q tốt nhất là trên 40, có nghĩa là chất lượng của cuộn cảm tốt. Tuy nhiên, nhìn chung khi độ lệch DC tăng thì giá trị điện cảm sẽ giảm và giá trị Q cũng sẽ giảm. Nếu sử dụng dây tráng men phẳng hoặc dây tráng men nhiều sợi, hiệu ứng bề mặt, tức là điện trở AC, có thể giảm và giá trị Q của cuộn cảm cũng có thể tăng lên.

Điện trở DC DCR thường được coi là điện trở DC của dây đồng và điện trở có thể được tính theo đường kính và chiều dài dây. Tuy nhiên, hầu hết các cuộn cảm SMD dòng điện thấp sẽ sử dụng hàn siêu âm để chế tạo tấm đồng của SMD ở đầu cuộn dây. Tuy nhiên, do dây đồng có chiều dài không dài và giá trị điện trở không cao nên điện trở hàn thường chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng điện trở DC. Lấy cuộn cảm SMD quấn dây CLF6045NIT-1R5N của TDK làm ví dụ, điện trở DC đo được là 14,6mΩ và điện trở DC tính toán dựa trên đường kính và chiều dài dây là 12,1mΩ. Kết quả cho thấy điện trở hàn này chiếm khoảng 17% tổng điện trở DC.

Điện trở AC ACR có hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng lân cận, điều này sẽ khiến ACR tăng theo tần số; trong ứng dụng của độ tự cảm chung, do thành phần AC thấp hơn nhiều so với thành phần DC nên ảnh hưởng do ACR gây ra là không rõ ràng; nhưng ở mức tải nhẹ, do thành phần DC bị giảm nên không thể bỏ qua tổn thất do ACR gây ra. Hiệu ứng bề mặt có nghĩa là trong điều kiện AC, sự phân bố dòng điện bên trong dây dẫn không đồng đều và tập trung trên bề mặt dây, dẫn đến giảm diện tích mặt cắt dây tương đương, từ đó làm tăng điện trở tương đương của dây với Tính thường xuyên. Ngoài ra, trong một cuộn dây, các dây liền kề sẽ gây ra sự cộng và trừ từ trường do dòng điện tạo ra, khiến dòng điện tập trung ở bề mặt liền kề với dây (hoặc bề mặt xa nhất, tùy theo chiều dòng điện). ), điều này cũng gây ra hiện tượng chặn dây tương đương. Hiện tượng diện tích giảm và điện trở tương đương tăng được gọi là hiệu ứng lân cận; trong ứng dụng điện cảm của cuộn dây nhiều lớp, hiệu ứng lân cận thậm chí còn rõ ràng hơn.

8

Hình 8 thể hiện mối quan hệ giữa điện trở AC và tần số của cuộn cảm SMD dây quấn NR4018T220M. Ở tần số 1kHz, điện trở khoảng 360mΩ; ở tần số 100kHz, điện trở tăng lên 775mΩ; ở tần số 10 MHz, giá trị điện trở gần bằng 160Ω. Khi ước tính tổn thất đồng, việc tính toán phải xem xét ACR gây ra bởi hiệu ứng bề mặt và vùng lân cận và sửa đổi nó thành công thức (3).

4. Dòng bão hòa (ISAT)

Dòng bão hòa ISAT nói chung là dòng điện phân cực được đánh dấu khi giá trị điện cảm bị suy giảm chẳng hạn như 10%, 30% hoặc 40%. Đối với ferit khe hở không khí, do đặc tính dòng bão hòa của nó rất nhanh nên không có nhiều khác biệt giữa 10% và 40%. Tham khảo Hình 4. Tuy nhiên, nếu là lõi bột sắt (chẳng hạn như cuộn cảm có tem), đường cong bão hòa tương đối nhẹ, như trong Hình 9, dòng điện phân cực ở mức 10% hoặc 40% độ suy giảm điện cảm là nhiều khác nhau nên giá trị dòng bão hòa sẽ được bàn riêng cho hai loại lõi sắt như sau.

Đối với ferrite có khe hở không khí, việc sử dụng ISAT làm giới hạn trên của dòng điện cảm tối đa cho các ứng dụng mạch là hợp lý. Tuy nhiên, nếu là lõi bột sắt thì do đặc tính bão hòa chậm nên sẽ không có vấn đề gì ngay cả khi dòng điện tối đa của mạch ứng dụng vượt quá ISAT. Do đó, đặc tính lõi sắt này phù hợp nhất cho các ứng dụng chuyển đổi chuyển mạch. Dưới tải nặng, mặc dù giá trị điện cảm của cuộn cảm thấp, như trong Hình 9, hệ số gợn dòng điện cao, nhưng dung sai dòng điện của tụ điện cao nên sẽ không thành vấn đề. Khi tải nhẹ, giá trị điện cảm của cuộn cảm lớn hơn, giúp giảm dòng điện gợn của cuộn cảm, từ đó giảm tổn thất sắt. Hình 9 so sánh đường cong dòng bão hòa của ferrite SLF7055T1R5N quấn dây của TDK và cuộn cảm lõi bột sắt dập SPM6530T1R5M trong cùng giá trị điện cảm danh nghĩa.

9

Hình 9. Đường cong dòng điện bão hòa của lõi ferrite quấn và lõi bột sắt dập trong cùng một giá trị điện cảm danh nghĩa

5. Dòng điện định mức (IDC)

Giá trị IDC là độ lệch DC khi nhiệt độ cuộn cảm tăng lên Tr˚C. Các thông số kỹ thuật cũng cho biết giá trị điện trở DC RDC của nó ở 20˚C. Theo hệ số nhiệt độ của dây đồng là khoảng 3.930 ppm, khi nhiệt độ Tr tăng thì giá trị điện trở của nó là RDC_Tr = RDC (1+0,00393Tr), điện năng tiêu thụ là PCU = I2DCxRDC. Tổn thất đồng này bị tiêu tán trên bề mặt của cuộn cảm và có thể tính được điện trở nhiệt ΘTH của cuộn cảm:

(2)

Bảng 2 tham khảo bảng dữ liệu của dòng TDK VLS6045EX (6.0×6.0×4.5mm) và tính toán khả năng chịu nhiệt khi tăng nhiệt độ 40˚C. Rõ ràng, đối với các cuộn cảm có cùng dòng và kích thước, điện trở nhiệt tính toán gần như giống nhau do có cùng diện tích tản nhiệt bề mặt; nói cách khác, có thể ước tính IDC dòng điện định mức của các cuộn cảm khác nhau. Các dòng (gói) cuộn cảm khác nhau có điện trở nhiệt khác nhau. Bảng 3 so sánh khả năng chịu nhiệt của cuộn cảm dòng TDK VLS6045EX (bán bảo vệ) và dòng SPM6530 (đúc). Điện trở nhiệt càng lớn thì độ tăng nhiệt độ sinh ra khi cuộn cảm chạy qua dòng điện tải càng cao; nếu không thì càng thấp.

(2)

Bảng 2. Điện trở nhiệt của cuộn cảm dòng VLS6045EX khi nhiệt độ tăng 40˚C

Có thể thấy trong Bảng 3, ngay cả khi kích thước của cuộn cảm tương tự nhau thì khả năng chịu nhiệt của cuộn cảm được đóng dấu thấp, nghĩa là khả năng tản nhiệt tốt hơn.

(3)

Bảng 3. So sánh khả năng chịu nhiệt của các cuộn cảm gói khác nhau.

6. Mất lõi

Tổn thất lõi, còn gọi là tổn thất sắt, chủ yếu là do tổn thất dòng điện xoáy và tổn thất trễ. Độ lớn của tổn thất dòng điện xoáy chủ yếu phụ thuộc vào việc vật liệu lõi có dễ “dẫn” hay không; nếu độ dẫn điện cao, nghĩa là điện trở suất thấp, tổn thất dòng điện xoáy cao và nếu điện trở suất của ferrite cao thì tổn thất dòng điện xoáy tương đối thấp. Tổn hao dòng điện xoáy cũng liên quan đến tần số. Tần số càng cao thì tổn thất dòng điện xoáy càng lớn. Vì vậy, vật liệu làm lõi sẽ quyết định tần số hoạt động phù hợp của lõi. Nói chung, tần số làm việc của lõi bột sắt có thể đạt tới 1 MHz và tần số làm việc của ferrite có thể đạt tới 10 MHz. Nếu tần số hoạt động vượt quá tần số này thì tổn thất dòng điện xoáy sẽ tăng nhanh và nhiệt độ lõi sắt cũng sẽ tăng lên. Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của vật liệu lõi sắt, lõi sắt có tần số hoạt động cao hơn sẽ sớm xuất hiện.

Một tổn hao sắt khác là tổn hao trễ, tỷ lệ với diện tích được bao quanh bởi đường cong trễ, liên quan đến biên độ dao động của thành phần AC của dòng điện; dao động AC càng lớn thì tổn thất trễ càng lớn.

Trong mạch tương đương của cuộn cảm, một điện trở mắc song song với cuộn cảm thường được dùng để biểu thị tổn hao sắt. Khi tần số bằng SRF, điện kháng cảm ứng và điện dung sẽ triệt tiêu nhau và điện kháng tương đương bằng 0. Lúc này, trở kháng của cuộn cảm tương đương với khả năng chống tổn thất sắt nối tiếp với điện trở cuộn dây, khả năng chống tổn thất sắt lớn hơn nhiều so với điện trở cuộn dây nên trở kháng tại SRF xấp xỉ bằng khả năng chống mất sắt. Lấy một cuộn cảm điện áp thấp làm ví dụ, khả năng chống mất sắt của nó là khoảng 20kΩ. Nếu ước tính giá trị điện áp hiệu dụng ở cả hai đầu của cuộn cảm là 5V thì tổn thất sắt của nó là khoảng 1,25mW, điều này cũng cho thấy khả năng chống mất sắt càng lớn thì càng tốt.

7. Cấu trúc lá chắn

Cấu trúc đóng gói của cuộn cảm ferrite bao gồm không được che chắn, bán được che chắn bằng keo từ tính và được che chắn, và có một khe hở không khí đáng kể ở một trong hai loại. Rõ ràng, khe hở không khí sẽ có hiện tượng rò rỉ từ tính, trường hợp xấu nhất sẽ gây nhiễu các mạch tín hiệu nhỏ xung quanh, hoặc nếu có vật liệu từ tính ở gần thì độ tự cảm của nó cũng sẽ bị thay đổi. Một cấu trúc đóng gói khác là một cuộn cảm bột sắt được đóng dấu. Vì không có khe hở bên trong cuộn cảm và cấu trúc cuộn dây chắc chắn nên vấn đề tiêu tán từ trường tương đối nhỏ. Hình 10 là cách sử dụng chức năng FFT của máy hiện sóng RTO 1004 để đo độ lớn của từ trường rò rỉ ở mức 3 mm phía trên và ở phía bên của cuộn cảm được đóng dấu. Bảng 4 liệt kê sự so sánh từ trường rò rỉ của các cuộn cảm có cấu trúc gói khác nhau. Có thể thấy, cuộn cảm không được che chắn có hiện tượng rò rỉ từ tính nghiêm trọng nhất; cuộn cảm được đóng dấu có độ rò rỉ từ tính nhỏ nhất, cho thấy hiệu quả che chắn từ tính tốt nhất. . Sự chênh lệch độ lớn từ trường rò rỉ của cuộn cảm của hai cấu trúc này là khoảng 14dB, tức là gần gấp 5 lần.

10

Hình 10. Độ lớn của từ trường rò rỉ được đo ở 3 mm phía trên và phía bên của cuộn cảm được đóng dấu

(4)

Bảng 4. So sánh từ trường rò rỉ của các cuộn cảm có cấu trúc gói khác nhau

8. khớp nối

Trong một số ứng dụng, đôi khi có nhiều bộ chuyển đổi DC trên PCB, thường được bố trí cạnh nhau và cuộn cảm tương ứng của chúng cũng được bố trí cạnh nhau. Nếu bạn sử dụng loại không được che chắn hoặc bán che chắn bằng keo từ tính. Các cuộn cảm có thể được ghép với nhau để tạo thành nhiễu EMI. Do đó, khi đặt cuộn cảm, trước tiên nên đánh dấu cực tính của cuộn cảm và kết nối điểm bắt đầu và điểm cuộn dây của lớp trong cùng của cuộn cảm với điện áp chuyển mạch của bộ chuyển đổi, chẳng hạn như VSW của bộ chuyển đổi Buck, đó là điểm chuyển động. Thiết bị đầu cuối ổ cắm được kết nối với tụ điện đầu ra, là điểm tĩnh; do đó cuộn dây đồng tạo thành một mức độ che chắn điện trường nhất định. Trong cách bố trí nối dây của bộ ghép kênh, việc cố định cực tính của điện cảm giúp cố định độ lớn của điện cảm lẫn nhau và tránh một số sự cố EMI không mong muốn.

Ứng dụng:

Chương trước đã thảo luận về vật liệu lõi, cấu trúc gói và các đặc tính điện quan trọng của cuộn cảm. Chương này sẽ giải thích cách chọn giá trị điện cảm thích hợp của bộ chuyển đổi Buck và những lưu ý khi chọn cuộn cảm có bán trên thị trường.

Như thể hiện trong phương trình (5), giá trị cuộn cảm và tần số chuyển mạch của bộ chuyển đổi sẽ ảnh hưởng đến dòng điện gợn của cuộn cảm (ΔiL). Dòng điện gợn trên cuộn cảm sẽ chạy qua tụ điện đầu ra và ảnh hưởng đến dòng điện gợn sóng của tụ điện đầu ra. Do đó, nó sẽ ảnh hưởng đến việc lựa chọn tụ điện đầu ra và ảnh hưởng hơn nữa đến độ gợn sóng của điện áp đầu ra. Hơn nữa, giá trị điện cảm và giá trị điện dung đầu ra cũng sẽ ảnh hưởng đến thiết kế phản hồi của hệ thống và đáp ứng động của tải. Việc chọn giá trị điện cảm lớn hơn sẽ tạo ra ít ứng suất dòng điện lên tụ điện hơn, đồng thời cũng có lợi trong việc giảm gợn sóng điện áp đầu ra và có thể lưu trữ nhiều năng lượng hơn. Tuy nhiên, giá trị điện cảm lớn hơn cho thấy âm lượng lớn hơn, nghĩa là chi phí cao hơn. Vì vậy, khi thiết kế bộ biến đổi, việc thiết kế giá trị điện cảm là rất quan trọng.

(5)

Có thể thấy từ công thức (5) rằng khi khoảng cách giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra lớn hơn thì dòng điện gợn trên cuộn cảm sẽ lớn hơn, đây là điều kiện xấu nhất của thiết kế cuộn cảm. Cùng với các phân tích quy nạp khác, điểm thiết kế điện cảm của bộ chuyển đổi bước xuống thường phải được chọn trong các điều kiện điện áp đầu vào tối đa và đầy tải.

Khi thiết kế giá trị điện cảm, cần phải cân nhắc giữa dòng gợn sóng trong cuộn cảm và kích thước cuộn cảm, đồng thời hệ số dòng gợn sóng (hệ số dòng gợn sóng; γ) được xác định ở đây, như trong công thức (6).

（6）

Thay công thức (6) vào công thức (5), giá trị điện cảm có thể được biểu thị dưới dạng công thức (7).

（7）

Theo công thức (7), khi chênh lệch giữa điện áp đầu vào và đầu ra lớn hơn thì giá trị γ có thể được chọn lớn hơn; ngược lại, nếu điện áp đầu vào và đầu ra gần nhau hơn thì thiết kế giá trị γ phải nhỏ hơn. Để lựa chọn giữa dòng điện gợn của cuộn cảm và kích thước, theo giá trị kinh nghiệm thiết kế truyền thống, γ thường là 0,2 đến 0,5. Sau đây lấy RT7276 làm ví dụ để minh họa cách tính độ tự cảm và lựa chọn cuộn cảm có bán trên thị trường.

Ví dụ thiết kế: Được thiết kế với bộ chuyển đổi giảm dần chỉnh lưu đồng bộ theo thời gian không đổi nâng cao RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM), tần số chuyển mạch của nó là 700 kHz, điện áp đầu vào là 4,5V đến 18V và điện áp đầu ra là 1,05V . Dòng điện đầy tải là 3A. Như đã đề cập ở trên, giá trị điện cảm phải được thiết kế trong điều kiện điện áp đầu vào cực đại 18V và toàn tải 3A, giá trị γ lấy bằng 0,35 và thay giá trị trên vào phương trình (7) thì độ tự cảm giá trị là

Sử dụng cuộn cảm có giá trị điện cảm danh nghĩa thông thường là 1,5 µH. Thay công thức (5) để tính dòng gợn sóng trong cuộn cảm như sau.

Vậy cường độ dòng điện cực đại của cuộn cảm là

Và giá trị hiệu dụng của dòng điện cảm ứng (IRMS) là

Do thành phần gợn sóng của cuộn cảm nhỏ nên giá trị hiệu dụng của dòng điện dẫn chủ yếu là thành phần DC của nó và giá trị hiệu dụng này được sử dụng làm cơ sở để chọn IDC dòng điện định mức của cuộn cảm. Với thiết kế giảm định mức (giảm định mức) 80%, các yêu cầu về độ tự cảm là:

L = 1,5 µH (100 kHz), IDC = 3,77 A, ISAT = 4,34 A

Bảng 5 liệt kê các cuộn cảm có sẵn của các dòng TDK khác nhau, có kích thước tương tự nhưng khác nhau về cấu trúc gói. Từ bảng có thể thấy rằng dòng điện bão hòa và dòng định mức của cuộn cảm có tem (SPM6530T-1R5M) lớn, điện trở nhiệt nhỏ và tản nhiệt tốt. Ngoài ra, theo thảo luận ở chương trước, vật liệu lõi của cuộn cảm dập là lõi bột sắt nên được so sánh với lõi ferit của cuộn cảm bán bảo vệ (VLS6045EX-1R5N) và cuộn cảm có vỏ bọc (SLF7055T-1R5N) bằng keo từ tính. , Có đặc tính sai lệch DC tốt. Hình 11 cho thấy sự so sánh hiệu suất của các cuộn cảm khác nhau được áp dụng cho bộ biến đổi từng bước chỉnh lưu đồng bộ theo thời gian không đổi nâng cao RT7276. Kết quả cho thấy sự khác biệt về hiệu quả giữa ba phương pháp này là không đáng kể. Nếu bạn xem xét vấn đề tản nhiệt, đặc tính sai lệch DC và tản từ trường, thì nên sử dụng cuộn cảm SPM6530T-1R5M.

（5）

Bảng 5. So sánh độ tự cảm của các dòng TDK khác nhau

11

Hình 11. So sánh hiệu suất của bộ biến đổi với các cuộn cảm khác nhau

Nếu bạn chọn cùng một gói cấu trúc và giá trị điện cảm, nhưng cuộn cảm có kích thước nhỏ hơn, chẳng hạn như SPM4015T-1R5M (4,4×4,1×1,5mm), mặc dù kích thước của nó nhỏ nhưng điện trở DC RDC (44,5mΩ) và điện trở nhiệt ΘTH ( 51˚C) /W) Lớn hơn. Đối với các bộ chuyển đổi có cùng thông số kỹ thuật, giá trị hiệu dụng của dòng điện mà cuộn cảm chịu được cũng như nhau. Rõ ràng, điện trở DC sẽ làm giảm hiệu quả khi chịu tải nặng. Ngoài ra, điện trở nhiệt lớn đồng nghĩa với việc tản nhiệt kém. Vì vậy, khi lựa chọn một cuộn cảm, không chỉ cần xem xét lợi ích của việc giảm kích thước mà còn phải đánh giá những khuyết điểm đi kèm của nó.

Tóm lại

Điện cảm là một trong những thành phần thụ động được sử dụng phổ biến trong các bộ chuyển đổi nguồn, có thể được sử dụng để lưu trữ và lọc năng lượng. Tuy nhiên, trong thiết kế mạch, không chỉ giá trị điện cảm cần được chú ý mà các thông số khác bao gồm điện trở AC và giá trị Q, dung sai dòng điện, độ bão hòa lõi sắt và cấu trúc gói, v.v., đều là những thông số phải được cân nhắc khi lựa chọn một cuộn cảm. . Các thông số này thường liên quan đến vật liệu cốt lõi, quy trình sản xuất, kích thước và chi phí. Vì vậy, bài viết này giới thiệu đặc tính của các loại vật liệu lõi sắt khác nhau và cách chọn độ tự cảm phù hợp làm tham khảo cho việc thiết kế bộ nguồn.