ข่าว

สรุป

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบที่สำคัญมากในตัวแปลงสวิตชิ่ง เช่น การจัดเก็บพลังงานและตัวกรองกำลัง ตัวเหนี่ยวนำมีหลายประเภท เช่น การใช้งานที่แตกต่างกัน (ตั้งแต่ความถี่ต่ำไปจนถึงความถี่สูง) หรือวัสดุแกนที่แตกต่างกันซึ่งส่งผลต่อคุณลักษณะของตัวเหนี่ยวนำ เป็นต้น ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในตัวแปลงสวิตชิ่งเป็นส่วนประกอบแม่เหล็กความถี่สูง อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัจจัยต่างๆ เช่น วัสดุ สภาพการทำงาน (เช่น แรงดันและกระแส) และอุณหภูมิโดยรอบ คุณลักษณะและทฤษฎีที่นำเสนอจึงค่อนข้างแตกต่างกัน ดังนั้นในการออกแบบวงจร นอกเหนือจากพารามิเตอร์พื้นฐานของค่าตัวเหนี่ยวนำแล้ว ยังต้องพิจารณาความสัมพันธ์ระหว่างอิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำและความต้านทานและความถี่ AC การสูญเสียแกนกลางและลักษณะกระแสอิ่มตัว ฯลฯ บทความนี้จะแนะนำวัสดุแกนเหนี่ยวนำที่สำคัญหลายประการและคุณลักษณะของวัสดุเหล่านั้น และยังแนะนำวิศวกรไฟฟ้าในการเลือกตัวเหนี่ยวนำมาตรฐานที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

คำนำ

ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าซึ่งเกิดขึ้นจากการพันขดลวด (ขดลวด) จำนวนหนึ่งบนกระสวยหรือแกนด้วยลวดหุ้มฉนวน ขดลวดนี้เรียกว่าขดลวดเหนี่ยวนำหรือตัวเหนี่ยวนำ ตามหลักการของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า เมื่อขดลวดและสนามแม่เหล็กเคลื่อนที่สัมพันธ์กัน หรือขดลวดสร้างสนามแม่เหล็กสลับกันผ่านกระแสสลับ แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถูกสร้างขึ้นเพื่อต้านทานการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเดิม และลักษณะเฉพาะของการยับยั้งการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันเรียกว่าความเหนี่ยวนำ

สูตรของค่าตัวเหนี่ยวนำเป็นไปตามสูตร (1) ซึ่งเป็นสัดส่วนกับการซึมผ่านของแม่เหล็ก กำลังสองของขดลวดเปลี่ยน N และพื้นที่หน้าตัดของวงจรแม่เหล็กที่เท่ากัน Ae และเป็นสัดส่วนผกผันกับความยาววงจรแม่เหล็กที่เท่ากัน le . ตัวเหนี่ยวนำมีหลายประเภท แต่ละประเภทเหมาะสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกัน ความเหนี่ยวนำสัมพันธ์กับรูปร่าง ขนาด วิธีการม้วน จำนวนรอบ และประเภทของวัสดุแม่เหล็กขั้นกลาง

(1)

ขึ้นอยู่กับรูปร่างของแกนเหล็ก ตัวเหนี่ยวนำรวมถึงวงแหวน แกน E และดรัม; ในแง่ของวัสดุแกนเหล็ก ส่วนใหญ่จะมีแกนเซรามิกและแม่เหล็กอ่อนสองประเภท เป็นผงเฟอร์ไรต์และผงโลหะ ขึ้นอยู่กับโครงสร้างหรือวิธีการบรรจุภัณฑ์ มีลวดพันหลายชั้นและขึ้นรูป และลวดพันลวดไม่มีการชีลด์และกาวแม่เหล็กครึ่งหนึ่งมีชีลด์ (กึ่งชีลด์) และชีลด์ (ชีลด์) เป็นต้น

ตัวเหนี่ยวนำทำหน้าที่เหมือนการลัดวงจรในกระแสตรงและมีความต้านทานสูงต่อกระแสสลับ การใช้งานขั้นพื้นฐานในวงจร ได้แก่ การสำลัก การกรอง การปรับแต่ง และการจัดเก็บพลังงาน ในการใช้งานตัวแปลงสวิตชิ่ง ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบการจัดเก็บพลังงานที่สำคัญที่สุด และสร้างตัวกรองความถี่ต่ำผ่านด้วยตัวเก็บประจุเอาต์พุตเพื่อลดการกระเพื่อมของแรงดันเอาต์พุต ดังนั้นจึงมีบทบาทสำคัญในฟังก์ชันการกรองด้วย

บทความนี้จะแนะนำวัสดุหลักต่างๆ ของตัวเหนี่ยวนำและคุณลักษณะของตัวเหนี่ยวนำ ตลอดจนคุณลักษณะทางไฟฟ้าบางอย่างของตัวเหนี่ยวนำ เพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงในการประเมินที่สำคัญสำหรับการเลือกตัวเหนี่ยวนำในระหว่างการออกแบบวงจร ในตัวอย่างการใช้งาน เราจะแนะนำวิธีคำนวณค่าตัวเหนี่ยวนำและวิธีการเลือกตัวเหนี่ยวนำมาตรฐานที่มีจำหน่ายในท้องตลาดผ่านตัวอย่างเชิงปฏิบัติ

ประเภทของวัสดุหลัก

ตัวเหนี่ยวนำที่ใช้ในตัวแปลงสวิตชิ่งเป็นส่วนประกอบแม่เหล็กความถี่สูง วัสดุแกนกลางที่อยู่ตรงกลางมีผลกระทบต่อคุณลักษณะของตัวเหนี่ยวนำมากที่สุด เช่น อิมพีแดนซ์และความถี่ ค่าและความถี่ของการเหนี่ยวนำ หรือลักษณะความอิ่มตัวของแกนกลาง ต่อไปนี้จะแนะนำการเปรียบเทียบวัสดุแกนเหล็กทั่วไปหลายชนิดและคุณลักษณะความอิ่มตัวของวัสดุเพื่อเป็นข้อมูลอ้างอิงที่สำคัญในการเลือกตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า:

1. แกนเซรามิก

แกนเซรามิกเป็นหนึ่งในวัสดุเหนี่ยวนำทั่วไป ส่วนใหญ่จะใช้เพื่อจัดเตรียมโครงสร้างรองรับที่ใช้ในการพันขดลวด เรียกอีกอย่างว่า "ตัวเหนี่ยวนำแกนอากาศ" เนื่องจากแกนเหล็กที่ใช้เป็นวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กที่มีค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำมาก ค่าตัวเหนี่ยวนำจึงมีความเสถียรมากในช่วงอุณหภูมิการทำงาน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กเป็นตัวกลาง ความเหนี่ยวนำจึงต่ำมาก ซึ่งไม่เหมาะมากสำหรับการใช้งานตัวแปลงพลังงาน

2. เฟอร์ไรต์

แกนเฟอร์ไรต์ที่ใช้ในตัวเหนี่ยวนำความถี่สูงทั่วไปคือสารประกอบเฟอร์ไรต์ที่ประกอบด้วยนิกเกิลสังกะสี (NiZn) หรือสังกะสีแมงกานีส (MnZn) ซึ่งเป็นวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าแม่เหล็กอ่อนที่มีแรงบังคับต่ำ รูปที่ 1 แสดงเส้นโค้งฮิสเทรีซิส (BH loop) ของแกนแม่เหล็กทั่วไป แรงบีบบังคับ HC ของวัสดุแม่เหล็กเรียกอีกอย่างว่าแรงบีบบังคับ ซึ่งหมายความว่าเมื่อวัสดุแม่เหล็กถูกทำให้เป็นแม่เหล็กจนถึงความอิ่มตัวของแม่เหล็ก การทำให้เกิดแม่เหล็ก (การทำให้เป็นแม่เหล็ก) จะลดลงเหลือศูนย์ ซึ่งเป็นความแรงของสนามแม่เหล็กที่ต้องการในขณะนั้น การบีบบังคับที่ต่ำกว่าหมายถึงความต้านทานต่อการล้างอำนาจแม่เหล็กที่ลดลง และยังหมายถึงการสูญเสียฮิสเทรีซิสที่ลดลงอีกด้วย

เฟอร์ไรท์แมงกานีสสังกะสีและนิกเกิลสังกะสีมีความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์ค่อนข้างสูง (μr) ประมาณ 1,500-15,000 และ 100-1,000 ตามลำดับ การซึมผ่านของแม่เหล็กสูงทำให้แกนเหล็กสูงขึ้นในปริมาตรหนึ่ง ตัวเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียคือกระแสความอิ่มตัวที่ยอมรับได้นั้นต่ำ และเมื่อแกนเหล็กอิ่มตัว ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กจะลดลงอย่างรวดเร็ว โปรดดูรูปที่ 4 สำหรับแนวโน้มการซึมผ่านของแม่เหล็กที่ลดลงของแกนเฟอร์ไรต์และแกนเหล็กผงเมื่อแกนเหล็กอิ่มตัว การเปรียบเทียบ. เมื่อใช้ในตัวเหนี่ยวนำไฟฟ้า ช่องว่างอากาศจะเหลืออยู่ในวงจรแม่เหล็กหลัก ซึ่งสามารถลดการซึมผ่าน หลีกเลี่ยงความอิ่มตัว และเก็บพลังงานได้มากขึ้น เมื่อรวมช่องว่างอากาศ ค่าการซึมผ่านสัมพัทธ์ที่เท่ากันสามารถอยู่ที่ประมาณ 20- ระหว่าง 200 เนื่องจากความต้านทานสูงของวัสดุสามารถลดการสูญเสียที่เกิดจากกระแสไหลวนได้ การสูญเสียจะลดลงที่ความถี่สูง และเหมาะสำหรับ หม้อแปลงความถี่สูง ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง EMI และตัวเหนี่ยวนำกักเก็บพลังงานของตัวแปลงพลังงาน ในแง่ของความถี่ในการทำงาน เฟอร์ไรต์นิกเกิล-ซิงค์เหมาะสำหรับการใช้งาน (>1 MHz) ในขณะที่เฟอร์ไรต์แมงกานีส-สังกะสีเหมาะสำหรับย่านความถี่ต่ำกว่า (<2 MHz)

1

รูปที่ 1 เส้นโค้งฮิสเทรีซิสของแกนแม่เหล็ก (BR: remanence; BSAT: ความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัว)

3.แกนเหล็กผง

แกนเหล็กที่เป็นผงยังเป็นวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าแบบแม่เหล็กอ่อนอีกด้วย พวกเขาทำจากโลหะผสมผงเหล็กของวัสดุที่แตกต่างกันหรือเฉพาะผงเหล็กเท่านั้น สูตรนี้ประกอบด้วยวัสดุที่ไม่ใช่แม่เหล็กซึ่งมีขนาดอนุภาคต่างกัน ดังนั้นกราฟความอิ่มตัวของสีจึงค่อนข้างอ่อนโยน แกนเหล็กผงส่วนใหญ่เป็นแบบวงแหวน รูปที่ 2 แสดงแกนเหล็กผงและมุมมองภาคตัดขวาง

แกนเหล็กที่เป็นผงทั่วไป ได้แก่ โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล-โมลิบดีนัม (MPP), sendust (Sendust), โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล (ฟลักซ์สูง) และแกนผงเหล็ก (ผงเหล็ก) เนื่องจากส่วนประกอบต่างกัน ลักษณะและราคาจึงแตกต่างกัน ซึ่งส่งผลต่อการเลือกตัวเหนี่ยวนำ ต่อไปนี้จะแนะนำประเภทแกนหลักที่กล่าวมาข้างต้นและเปรียบเทียบคุณลักษณะของพวกมัน:

A. โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล-โมลิบดีนัม (MPP)

โลหะผสม Fe-Ni-Mo ย่อว่า MPP ซึ่งเป็นคำย่อของผงโมลิเปอร์มัลลอย ความสามารถในการซึมผ่านสัมพัทธ์อยู่ที่ประมาณ 14-500 และความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัวคือประมาณ 7500 เกาส์ (เกาส์) ซึ่งสูงกว่าความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัวของเฟอร์ไรต์ (ประมาณ 4,000-5,000 เกาส์) ออกมากมาย. MPP มีการสูญเสียธาตุเหล็กน้อยที่สุดและมีความคงตัวของอุณหภูมิได้ดีที่สุดในบรรดาแกนเหล็กที่เป็นผง เมื่อกระแส DC ภายนอกถึงค่า ISAT กระแสอิ่มตัว ค่าตัวเหนี่ยวนำจะลดลงอย่างช้าๆ โดยไม่มีการลดทอนอย่างฉับพลัน MPP มีประสิทธิภาพดีกว่าแต่ต้นทุนสูงกว่า และมักใช้เป็นตัวเหนี่ยวนำพลังงานและการกรอง EMI สำหรับตัวแปลงพลังงาน

บี. เซนดัสท์

แกนเหล็กโลหะผสมเหล็ก - ซิลิคอน - อลูมิเนียมเป็นแกนเหล็กโลหะผสมที่ประกอบด้วยเหล็ก ซิลิคอน และอลูมิเนียม โดยมีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ประมาณ 26 ถึง 125 การสูญเสียเหล็กอยู่ระหว่างแกนผงเหล็กและ MPP และโลหะผสมเหล็ก - นิกเกิล . ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัวนั้นสูงกว่า MPP ประมาณ 1,0500 เกาส์ ความเสถียรของอุณหภูมิและความอิ่มตัวของกระแสไฟฟ้าจะด้อยกว่า MPP และโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลเล็กน้อย แต่ดีกว่าแกนผงเหล็กและแกนเฟอร์ไรต์ และต้นทุนสัมพัทธ์ถูกกว่า MPP และโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล ส่วนใหญ่จะใช้ในการกรอง EMI วงจรแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) และตัวเหนี่ยวนำพลังงานของตัวแปลงไฟแบบสวิตชิ่ง

C. โลหะผสมเหล็ก-นิกเกิล (ฟลักซ์สูง)

แกนโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลทำจากเหล็กและนิกเกิล การซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ประมาณ 14-200 การสูญเสียธาตุเหล็กและความคงตัวของอุณหภูมิอยู่ระหว่าง MPP และโลหะผสมเหล็ก - ซิลิคอน - อลูมิเนียม แกนโลหะผสมเหล็ก-นิกเกิลมีความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กอิ่มตัวสูงสุดที่ประมาณ 15,000 เกาส์ และสามารถทนต่อกระแสไบแอส DC ได้สูงกว่า และคุณลักษณะ DC ไบแอสก็ดีกว่าเช่นกัน ขอบเขตการใช้งาน: การแก้ไขตัวประกอบกำลังที่ใช้งาน, ตัวเหนี่ยวนำการจัดเก็บพลังงาน, ตัวเหนี่ยวนำตัวกรอง, หม้อแปลงความถี่สูงของตัวแปลงฟลายแบ็ค ฯลฯ

ง. ผงเหล็ก

แกนผงเหล็กทำจากอนุภาคผงเหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยมีอนุภาคขนาดเล็กมากที่ถูกหุ้มฉนวนจากกัน กระบวนการผลิตทำให้มีช่องว่างอากาศแบบกระจาย นอกจากรูปทรงแหวนแล้ว รูปร่างแกนผงเหล็กทั่วไปยังมีแบบ E และแบบปั๊มอีกด้วย ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ของแกนผงเหล็กอยู่ที่ประมาณ 10 ถึง 75 และความหนาแน่นฟลักซ์แม่เหล็กที่มีความอิ่มตัวสูงคือประมาณ 15,000 เกาส์ ในบรรดาแกนเหล็กผง แกนผงเหล็กมีการสูญเสียเหล็กสูงที่สุด แต่มีต้นทุนต่ำที่สุด

รูปที่ 3 แสดงเส้นโค้ง BH ของเฟอร์ไรต์แมงกานีส-สังกะสี PC47 ที่ผลิตโดย TDK และแกนเหล็กผง -52 และ -2 ที่ผลิตโดย MICROMETALS ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสัมพัทธ์ของเฟอร์ไรต์แมงกานีส - สังกะสีนั้นสูงกว่าแกนเหล็กที่เป็นผงมากและมีความอิ่มตัว ความหนาแน่นของฟลักซ์แม่เหล็กก็แตกต่างกันมากเช่นกัน เฟอร์ไรต์มีค่าประมาณ 5,000 เกาส์ และแกนผงเหล็กมากกว่า 10,000 เกาส์

3

รูปที่ 3 เส้นโค้ง BH ของเฟอร์ไรต์แมงกานีส-สังกะสีและแกนผงเหล็กของวัสดุต่างๆ

โดยสรุป ลักษณะความอิ่มตัวของแกนเหล็กจะแตกต่างกัน เมื่อกระแสอิ่มตัวเกิน การซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนเฟอร์ไรต์จะลดลงอย่างรวดเร็ว ในขณะที่แกนผงเหล็กสามารถลดลงอย่างช้าๆ รูปที่ 4 แสดงลักษณะการลดลงของการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนผงเหล็กที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กเท่ากันและเฟอร์ไรต์ที่มีช่องว่างอากาศภายใต้ความแรงของสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ยังอธิบายความเหนี่ยวนำของแกนเฟอร์ไรต์ด้วย เนื่องจากความสามารถในการซึมผ่านลดลงอย่างรวดเร็วเมื่อแกนอิ่มตัว ดังที่เห็นได้จากสมการ (1) และยังทำให้ค่าความเหนี่ยวนำลดลงอย่างรวดเร็วด้วย ในขณะที่แกนผงมีช่องว่างอากาศแบบกระจาย การซึมผ่านของแม่เหล็ก อัตราจะลดลงอย่างช้าๆ เมื่อแกนเหล็กอิ่มตัว ดังนั้นการเหนี่ยวนำจะลดลงอย่างนุ่มนวล นั่นคือ มีลักษณะอคติ DC ที่ดีกว่า ในการใช้เครื่องแปลงไฟลักษณะนี้มีความสำคัญมาก ถ้าลักษณะความอิ่มตัวช้าของตัวเหนี่ยวนำไม่ดี กระแสตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้นเป็นกระแสอิ่มตัว และการเหนี่ยวนำที่ลดลงอย่างกะทันหันจะทำให้ความเครียดในปัจจุบันของคริสตัลสวิตชิ่งเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ซึ่งง่ายต่อการทำให้เกิดความเสียหาย

4

รูปที่ 4 ลักษณะการซึมผ่านของแม่เหล็กของแกนเหล็กผงและแกนเหล็กเฟอร์ไรต์ที่มีช่องว่างอากาศภายใต้ความแรงของสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกัน

ลักษณะทางไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำและโครงสร้างบรรจุภัณฑ์

เมื่อออกแบบตัวแปลงสวิตชิ่งและเลือกตัวเหนี่ยวนำ ค่าตัวเหนี่ยวนำ L, อิมพีแดนซ์ Z, ความต้านทาน AC ACR และค่า Q (ปัจจัยด้านคุณภาพ), IDC และ ISAT ที่ได้รับการจัดอันดับในปัจจุบัน และการสูญเสียแกนกลาง (การสูญเสียแกน) และคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่สำคัญอื่น ๆ ล้วนแต่ต้อง ได้รับการพิจารณา นอกจากนี้ โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ของตัวเหนี่ยวนำจะส่งผลต่อขนาดของการรั่วไหลของสนามแม่เหล็ก ซึ่งจะส่งผลต่อ EMI ด้วยเช่นกัน ต่อไปนี้จะกล่าวถึงคุณลักษณะที่กล่าวมาข้างต้นแยกกันเพื่อประกอบการพิจารณาในการเลือกตัวเหนี่ยวนำ

1. ค่าตัวเหนี่ยวนำ (L)

ค่าตัวเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานที่สำคัญที่สุดในการออกแบบวงจร แต่ต้องตรวจสอบว่าค่าตัวเหนี่ยวนำมีเสถียรภาพที่ความถี่ในการทำงานหรือไม่ ค่าระบุของการเหนี่ยวนำมักจะวัดที่ 100 kHz หรือ 1 MHz โดยไม่มีไบแอส DC ภายนอก และเพื่อให้แน่ใจว่ามีความเป็นไปได้ของการผลิตแบบอัตโนมัติจำนวนมาก ค่าความคลาดเคลื่อนของตัวเหนี่ยวนำมักจะอยู่ที่ ±20% (M) และ ±30% (N) รูปที่ 5 เป็นกราฟลักษณะตัวเหนี่ยวนำ-ความถี่ของตัวเหนี่ยวนำ Taiyo Yuden NR4018T220M วัดด้วยมิเตอร์ LCR ของ Wayne Kerr ดังที่แสดงในภาพ เส้นโค้งค่าตัวเหนี่ยวนำจะค่อนข้างแบนก่อน 5 MHz และค่าตัวเหนี่ยวนำแทบจะถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ ในย่านความถี่สูงเนื่องจากการสั่นพ้องที่เกิดจากความจุและการเหนี่ยวนำของปรสิต ค่าตัวเหนี่ยวนำจะเพิ่มขึ้น ความถี่เรโซแนนซ์นี้เรียกว่าความถี่เรโซแนนซ์ในตัวเอง (SRF) ซึ่งโดยปกติจะต้องสูงกว่าความถี่ในการทำงานมาก

5

รูปที่ 5, Taiyo Yuden NR4018T220M แผนภาพการวัดลักษณะตัวเหนี่ยวนำความถี่

2. อิมพีแดนซ์ (Z)

ดังแสดงในรูปที่ 6 แผนภาพอิมพีแดนซ์ยังสามารถมองเห็นได้จากประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่ความถี่ต่างๆ อิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำจะเป็นสัดส่วนโดยประมาณกับความถี่ (Z=2πfL) ดังนั้น ยิ่งความถี่สูง รีแอคแทนซ์จะมีค่ามากกว่าความต้านทาน AC มาก ดังนั้นอิมพีแดนซ์จึงมีพฤติกรรมเหมือนกับตัวเหนี่ยวนำบริสุทธิ์ (เฟสคือ 90˚) ที่ความถี่สูง เนื่องจากเอฟเฟกต์ความจุของปรสิต จึงสามารถมองเห็นจุดความถี่เรโซแนนซ์ของอิมพีแดนซ์ได้ หลังจากจุดนี้ ความต้านทานจะลดลงและกลายเป็นตัวเก็บประจุ และเฟสจะค่อยๆ เปลี่ยนเป็น -90 ˚

6

3. ค่า Q และความต้านทาน AC (ACR)

ค่า Q ในคำจำกัดความของการเหนี่ยวนำคืออัตราส่วนของรีแอกแตนซ์ต่อความต้านทาน ซึ่งก็คืออัตราส่วนของส่วนจินตภาพต่อส่วนที่แท้จริงของอิมพีแดนซ์ ดังในสูตร (2)

(2)

โดยที่ XL คือค่ารีแอกแตนซ์ของตัวเหนี่ยวนำ และ RL คือความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับของตัวเหนี่ยวนำ

ในช่วงความถี่ต่ำ ความต้านทาน AC จะมีค่ามากกว่าค่ารีแอกแตนซ์ที่เกิดจากการเหนี่ยวนำ ดังนั้นค่า Q จึงต่ำมาก เมื่อความถี่เพิ่มขึ้น รีแอกแตนซ์ (ประมาณ 2πfL) จะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ แม้ว่าความต้านทานจะเกิดจากผลกระทบทางผิวหนัง (ผลกระทบทางผิวหนัง) และผลกระทบจากความใกล้ชิด (ความใกล้เคียง) ผลกระทบจะมีขนาดใหญ่ขึ้นเรื่อยๆ และค่า Q ยังคงเพิ่มขึ้นตามความถี่ ; เมื่อเข้าใกล้ SRF รีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำจะค่อยๆ ชดเชยด้วยรีแอคแทนซ์แบบคาปาซิทีฟ และค่า Q จะค่อยๆ น้อยลง เมื่อ SRF กลายเป็นศูนย์ เนื่องจากรีแอกแทนซ์แบบเหนี่ยวนำและรีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟนั้นหายไปโดยสิ้นเชิง รูปที่ 7 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า Q และความถี่ของ NR4018T220M และความสัมพันธ์อยู่ในรูประฆังคว่ำ

7

รูปที่ 7 ความสัมพันธ์ระหว่างค่า Q และความถี่ของตัวเหนี่ยวนำ Taiyo Yuden NR4018T220M

ในย่านความถี่ของการเหนี่ยวนำ ยิ่งค่า Q สูงเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น หมายความว่าค่ารีแอกแตนซ์มากกว่าความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับมาก โดยทั่วไปแล้ว ค่า Q ที่ดีที่สุดคือมากกว่า 40 ซึ่งหมายความว่าคุณภาพของตัวเหนี่ยวนำนั้นดี อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปเมื่อ DC bias เพิ่มขึ้น ค่าตัวเหนี่ยวนำจะลดลง และค่า Q ก็จะลดลงเช่นกัน หากใช้ลวดเคลือบแบนหรือลวดเคลือบหลายเส้น ผลกระทบของผิวหนังซึ่งก็คือความต้านทานไฟฟ้ากระแสสลับจะลดลง และค่า Q ของตัวเหนี่ยวนำก็เพิ่มขึ้นได้เช่นกัน

โดยทั่วไปความต้านทาน DC DCR ถือเป็นความต้านทาน DC ของลวดทองแดง และสามารถคำนวณความต้านทานตามเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของสายไฟ อย่างไรก็ตาม ตัวเหนี่ยวนำ SMD กระแสต่ำส่วนใหญ่จะใช้การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิกเพื่อสร้างแผ่นทองแดงของ SMD ที่ขั้วขดลวด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากลวดทองแดงมีความยาวไม่ยาวและค่าความต้านทานไม่สูง ความต้านทานการเชื่อมจึงมักมีสัดส่วนของความต้านทาน DC โดยรวมเป็นสัดส่วนมาก ยกตัวอย่างตัวเหนี่ยวนำ SMD แบบพันลวดของ TDK CLF6045NIT-1R5N ความต้านทาน DC ที่วัดได้คือ 14.6mΩ และความต้านทาน DC ที่คำนวณตามเส้นผ่านศูนย์กลางและความยาวของสายไฟคือ 12.1mΩ ผลการวิจัยพบว่าความต้านทานการเชื่อมนี้คิดเป็นประมาณ 17% ของความต้านทาน DC โดยรวม

ความต้านทาน AC ACR มีผลกระทบต่อผิวหนังและผลกระทบใกล้เคียงซึ่งจะทำให้ ACR เพิ่มขึ้นตามความถี่ ในการใช้ตัวเหนี่ยวนำทั่วไป เนื่องจากส่วนประกอบ AC ต่ำกว่าส่วนประกอบ DC มาก อิทธิพลที่เกิดจาก ACR ไม่ชัดเจน แต่ที่โหลดเบา เนื่องจากส่วนประกอบ DC ลดลง จึงไม่สามารถละเลยการสูญเสียที่เกิดจาก ACR ได้ ผลกระทบที่ผิวหนังหมายความว่าภายใต้สภาวะไฟฟ้ากระแสสลับ การกระจายกระแสภายในตัวนำไม่เท่ากันและกระจุกตัวอยู่ที่พื้นผิวของเส้นลวด ส่งผลให้พื้นที่หน้าตัดของเส้นลวดสมมูลกันลดลง ซึ่งจะเพิ่มความต้านทานสมมูลของเส้นลวดด้วย ความถี่. นอกจากนี้ในการพันขดลวดลวดที่อยู่ติดกันจะทำให้เกิดการบวกและลบของสนามแม่เหล็กเนื่องจากกระแสเพื่อให้กระแสรวมตัวอยู่ที่พื้นผิวที่อยู่ติดกับเส้นลวด (หรือพื้นผิวที่ไกลที่สุดขึ้นอยู่กับทิศทางของกระแสไฟฟ้า ) ซึ่งทำให้เกิดการสกัดกั้นสายไฟที่เท่ากัน ปรากฏการณ์ที่พื้นที่ลดลงและความต้านทานที่เท่ากันเพิ่มขึ้นเรียกว่าปรากฏการณ์ความใกล้เคียง ในการใช้งานการเหนี่ยวนำของขดลวดหลายชั้น เอฟเฟกต์ความใกล้ชิดจะยิ่งชัดเจนยิ่งขึ้น

8

รูปที่ 8 แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความต้านทาน AC และความถี่ของตัวเหนี่ยวนำ SMD แบบพันลวด NR4018T220M ที่ความถี่ 1kHz ความต้านทานจะอยู่ที่ประมาณ 360mΩ; ที่ 100kHz ความต้านทานเพิ่มขึ้นเป็น 775mΩ; ที่ 10MHz ค่าความต้านทานจะใกล้เคียงกับ160Ω เมื่อประมาณการสูญเสียทองแดง การคำนวณจะต้องพิจารณา ACR ที่เกิดจากผิวหนังและความใกล้ชิด และแก้ไขเป็นสูตร (3)

4. กระแสอิ่มตัว (ISAT)

กระแสอิ่มตัว โดยทั่วไปแล้ว กระแสไบแอสจะถูกทำเครื่องหมายไว้เมื่อค่าตัวเหนี่ยวนำถูกลดทอนลง เช่น 10%, 30% หรือ 40% สำหรับเฟอร์ไรต์แบบช่องว่างอากาศ เนื่องจากคุณลักษณะกระแสอิ่มตัวนั้นรวดเร็วมาก จึงไม่มีความแตกต่างระหว่าง 10% ถึง 40% มากนัก อ้างถึงรูปที่ 4 อย่างไรก็ตาม หากเป็นแกนผงเหล็ก (เช่น ตัวเหนี่ยวนำที่ประทับ) เส้นโค้งความอิ่มตัวค่อนข้างอ่อนโยน ดังแสดงในรูปที่ 9 กระแสไบแอสที่ 10% หรือ 40% ของการลดทอนของตัวเหนี่ยวนำจะมาก แตกต่างกัน ดังนั้นค่ากระแสอิ่มตัวจะกล่าวถึงแยกกันสำหรับแกนเหล็กทั้งสองประเภทดังนี้

สำหรับเฟอร์ไรต์ที่มีช่องว่างอากาศ มีเหตุผลที่จะใช้ ISAT เป็นขีดจำกัดบนของกระแสตัวเหนี่ยวนำสูงสุดสำหรับการใช้งานวงจร อย่างไรก็ตาม หากเป็นแกนผงเหล็ก เนื่องจากคุณสมบัติความอิ่มตัวช้า จะไม่มีปัญหาแม้ว่ากระแสสูงสุดของวงจรการใช้งานจะเกิน ISAT ก็ตาม ดังนั้นคุณลักษณะแกนเหล็กนี้จึงเหมาะสมที่สุดสำหรับการใช้งานสวิตช์ตัวแปลง ภายใต้ภาระหนัก แม้ว่าค่าตัวเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำจะต่ำ ดังแสดงในรูปที่ 9 ปัจจัยระลอกปัจจุบันจะสูง แต่ความทนทานต่อกระแสของตัวเก็บประจุกระแสสูง ดังนั้นจึงไม่มีปัญหา ภายใต้ภาระที่เบา ค่าตัวเหนี่ยวนำของตัวเหนี่ยวนำจะมีมากขึ้น ซึ่งช่วยลดกระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำ จึงช่วยลดการสูญเสียธาตุเหล็ก รูปที่ 9 เปรียบเทียบเส้นโค้งกระแสอิ่มตัวของเฟอร์ไรต์ที่พันของ TDK SLF7055T1R5N และตัวเหนี่ยวนำแกนผงเหล็กประทับ SPM6530T1R5M ภายใต้ค่าตัวเหนี่ยวนำที่เท่ากัน

9

รูปที่ 9 เส้นโค้งกระแสอิ่มตัวของเฟอร์ไรต์ที่พันและแกนผงเหล็กประทับตราภายใต้ค่าตัวเหนี่ยวนำที่เท่ากัน

5. พิกัดกระแส (IDC)

ค่า IDC คือค่า DC bias เมื่ออุณหภูมิตัวเหนี่ยวนำเพิ่มขึ้นถึงTr˚C ข้อมูลจำเพาะยังระบุค่าความต้านทาน DC RDC ที่ 20°C ตามค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของลวดทองแดงอยู่ที่ประมาณ 3,930 ppm เมื่ออุณหภูมิของ Tr เพิ่มขึ้น ค่าความต้านทานของมันคือ RDC_Tr = RDC (1+0.00393Tr) และการใช้พลังงานคือ PCU = I2DCxRDC การสูญเสียทองแดงนี้กระจายไปบนพื้นผิวของตัวเหนี่ยวนำ และสามารถคำนวณความต้านทานความร้อน ΘTH ของตัวเหนี่ยวนำได้:

(2)

ตารางที่ 2 อ้างอิงเอกสารข้อมูลของซีรีส์ TDK VLS6045EX (6.0×6.0×4.5 มม.) และคำนวณความต้านทานความร้อนที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 40°C เห็นได้ชัดว่าสำหรับตัวเหนี่ยวนำในซีรีย์และขนาดเดียวกัน ความต้านทานความร้อนที่คำนวณได้เกือบจะเท่ากันเนื่องจากพื้นที่กระจายความร้อนที่พื้นผิวเท่ากัน กล่าวอีกนัยหนึ่งสามารถประมาณค่า IDC ปัจจุบันของตัวเหนี่ยวนำที่แตกต่างกันได้ ตัวเหนี่ยวนำแบบอนุกรม (แพ็คเกจ) ที่แตกต่างกันมีความต้านทานความร้อนที่แตกต่างกัน ตารางที่ 3 เปรียบเทียบความต้านทานความร้อนของตัวเหนี่ยวนำของซีรีส์ TDK VLS6045EX (กึ่งชีลด์) และซีรีส์ SPM6530 (แบบขึ้นรูป) ยิ่งความต้านทานความร้อนมากขึ้น อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่เกิดขึ้นเมื่อตัวเหนี่ยวนำไหลผ่านกระแสโหลดก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น มิฉะนั้นต่ำกว่า

(2)

ตารางที่ 2. ความต้านทานความร้อนของตัวเหนี่ยวนำซีรีส์ VLS6045EX ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 40°C

จะเห็นได้จากตารางที่ 3 ว่าแม้ว่าขนาดของตัวเหนี่ยวนำจะใกล้เคียงกัน แต่ความต้านทานความร้อนของตัวเหนี่ยวนำที่ประทับตรานั้นต่ำ กล่าวคือ การกระจายความร้อนจะดีกว่า

(3)

ตารางที่ 3. การเปรียบเทียบความต้านทานความร้อนของตัวเหนี่ยวนำแพ็คเกจต่างๆ

6. การสูญเสียแกนกลาง

การสูญเสียแกนกลางหรือที่เรียกว่าการสูญเสียธาตุเหล็ก สาเหตุหลักมาจากการสูญเสียกระแสวนและการสูญเสียฮิสเทรีซิส ขนาดของการสูญเสียกระแสไหลวนส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับว่าวัสดุแกนกลางนั้น "ดำเนินการ" ได้ง่ายหรือไม่ หากค่าการนำไฟฟ้าสูง นั่นคือ ความต้านทานต่ำ การสูญเสียกระแสไหลวนจะสูง และหากค่าความต้านทานของเฟอร์ไรต์สูง การสูญเสียกระแสไหลวนจะค่อนข้างต่ำ การสูญเสียกระแสเอ็ดดี้ยังสัมพันธ์กับความถี่ด้วย ยิ่งความถี่สูงเท่าใด การสูญเสียกระแสไหลวนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ดังนั้นวัสดุแกนกลางจะเป็นตัวกำหนดความถี่ในการทำงานที่เหมาะสมของแกนกลาง โดยทั่วไปความถี่ในการทำงานของแกนผงเหล็กสามารถเข้าถึง 1MHz และความถี่ในการทำงานของเฟอร์ไรต์สามารถเข้าถึง 10MHz หากความถี่ในการทำงานเกินความถี่นี้ การสูญเสียกระแสไหลวนจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและอุณหภูมิแกนเหล็กก็จะเพิ่มขึ้นเช่นกัน อย่างไรก็ตาม ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของวัสดุแกนเหล็ก แกนเหล็กที่มีความถี่การทำงานที่สูงกว่าควรจะอยู่ใกล้แค่เอื้อม

การสูญเสียธาตุเหล็กอีกประการหนึ่งคือการสูญเสียฮิสเทรีซิส ซึ่งเป็นสัดส่วนกับพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งฮิสเทรีซิส ซึ่งสัมพันธ์กับแอมพลิจูดการแกว่งของส่วนประกอบ AC ของกระแสไฟฟ้า ยิ่งการสวิง AC ยิ่งมาก การสูญเสียฮิสเทรีซิสก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ในวงจรสมมูลของตัวเหนี่ยวนำ ตัวต้านทานที่ต่อแบบขนานกับตัวเหนี่ยวนำมักจะใช้เพื่อแสดงการสูญเสียธาตุเหล็ก เมื่อความถี่เท่ากับ SRF รีแอคแทนซ์แบบเหนี่ยวนำและรีแอกแตนซ์แบบคาปาซิทีฟจะถูกยกเลิก และรีแอกแตนซ์ที่เท่ากันจะเป็นศูนย์ ในเวลานี้ อิมพีแดนซ์ของตัวเหนี่ยวนำเทียบเท่ากับความต้านทานการสูญเสียเหล็กในอนุกรมกับความต้านทานของขดลวด และความต้านทานการสูญเสียของเหล็กจะมีขนาดใหญ่กว่าความต้านทานของขดลวด ดังนั้น อิมพีแดนซ์ที่ SRF จึงเท่ากับความต้านทานการสูญเสียเหล็กโดยประมาณ จากตัวอย่างตัวเหนี่ยวนำแรงดันไฟฟ้าต่ำ ความต้านทานการสูญเสียเหล็กของมันจะอยู่ที่ประมาณ 20kΩ หากค่าแรงดันไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพที่ปลายทั้งสองด้านของตัวเหนี่ยวนำมีค่าประมาณ 5V การสูญเสียธาตุเหล็กจะอยู่ที่ประมาณ 1.25mW ซึ่งแสดงให้เห็นว่ายิ่งความต้านทานการสูญเสียธาตุเหล็กมากเท่าไรก็ยิ่งดีเท่านั้น

7. โครงสร้างโล่

โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ของตัวเหนี่ยวนำเฟอร์ไรต์ประกอบด้วยแบบไม่หุ้มฉนวน กึ่งป้องกันด้วยกาวแม่เหล็ก และหุ้มฉนวน และมีช่องว่างอากาศจำนวนมากในทั้งสองแบบ แน่นอนว่าช่องว่างอากาศจะมีการรั่วไหลของแม่เหล็ก และในกรณีที่เลวร้ายที่สุด มันจะรบกวนวงจรสัญญาณขนาดเล็กโดยรอบ หรือหากมีวัสดุแม่เหล็กอยู่ใกล้ ๆ ความเหนี่ยวนำก็จะเปลี่ยนไปด้วย โครงสร้างบรรจุภัณฑ์อีกแบบหนึ่งคือตัวเหนี่ยวนำผงเหล็กที่มีการประทับตรา เนื่องจากไม่มีช่องว่างภายในตัวเหนี่ยวนำและโครงสร้างขดลวดมีความแข็ง ปัญหาการกระจายสนามแม่เหล็กจึงค่อนข้างน้อย รูปที่ 10 คือการใช้ฟังก์ชัน FFT ของออสซิลโลสโคป RTO 1004 เพื่อวัดขนาดของสนามแม่เหล็กรั่วที่ด้านบน 3 มม. และที่ด้านข้างของตัวเหนี่ยวนำที่ประทับตรา ตารางที่ 4 แสดงการเปรียบเทียบสนามแม่เหล็กรั่วของตัวเหนี่ยวนำโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ต่างๆ จะเห็นได้ว่าตัวเหนี่ยวนำที่ไม่ได้รับการป้องกันมีการรั่วไหลของแม่เหล็กที่ร้ายแรงที่สุด ตัวเหนี่ยวนำที่มีการประทับตรามีการรั่วไหลของแม่เหล็กน้อยที่สุด ซึ่งแสดงผลการป้องกันแม่เหล็กที่ดีที่สุด - ความแตกต่างของขนาดของสนามแม่เหล็กรั่วของตัวเหนี่ยวนำของโครงสร้างทั้งสองนี้คือประมาณ 14dB ซึ่งเกือบ 5 เท่า

10

รูปที่ 10 ขนาดของสนามแม่เหล็กรั่วที่วัดที่ด้านบน 3 มม. และที่ด้านข้างของตัวเหนี่ยวนำที่ประทับตรา

(4)

ตารางที่ 4. การเปรียบเทียบสนามแม่เหล็กรั่วของตัวเหนี่ยวนำโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ต่างๆ

8. การมีเพศสัมพันธ์

ในบางแอปพลิเคชัน บางครั้งมีตัวแปลง DC หลายชุดบน PCB ซึ่งโดยปกติจะจัดเรียงติดกัน และตัวเหนี่ยวนำที่สอดคล้องกันก็จะถูกจัดเรียงติดกันด้วย หากคุณใช้ชนิดไม่ชีลด์หรือกึ่งชีลด์กับกาวแม่เหล็ก ตัวเหนี่ยวนำอาจเชื่อมต่อเข้าด้วยกันเพื่อสร้างสัญญาณรบกวน EMI ดังนั้นเมื่อวางตัวเหนี่ยวนำ แนะนำให้ทำเครื่องหมายขั้วของตัวเหนี่ยวนำก่อน และเชื่อมต่อจุดเริ่มต้นและจุดคดเคี้ยวของชั้นในสุดของตัวเหนี่ยวนำกับแรงดันไฟฟ้าสลับของตัวแปลง เช่น VSW ของตัวแปลงบั๊ก ซึ่งเป็นจุดเคลื่อนที่ ขั้วต่อเต้าเสียบเชื่อมต่อกับตัวเก็บประจุเอาต์พุตซึ่งเป็นจุดคงที่ การพันลวดทองแดงจึงทำให้เกิดการป้องกันสนามไฟฟ้าในระดับหนึ่ง ในการจัดสายไฟของมัลติเพล็กเซอร์ การกำหนดขั้วของการเหนี่ยวนำจะช่วยแก้ไขขนาดของการเหนี่ยวนำร่วมและหลีกเลี่ยงปัญหา EMI ที่ไม่คาดคิด

การใช้งาน:

บทก่อนหน้านี้กล่าวถึงวัสดุหลัก โครงสร้างบรรจุภัณฑ์ และคุณลักษณะทางไฟฟ้าที่สำคัญของตัวเหนี่ยวนำ บทนี้จะอธิบายวิธีการเลือกค่าตัวเหนี่ยวนำที่เหมาะสมของตัวแปลงบั๊ก และข้อควรพิจารณาในการเลือกตัวเหนี่ยวนำที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

ดังที่แสดงในสมการ (5) ค่าตัวเหนี่ยวนำและความถี่การสลับของตัวแปลงจะส่งผลต่อกระแสกระเพื่อมของตัวเหนี่ยวนำ (ΔiL) กระแสริปเปิลของตัวเหนี่ยวนำจะไหลผ่านตัวเก็บประจุเอาต์พุตและส่งผลต่อกระแสริปเปิลของตัวเก็บประจุเอาต์พุต ดังนั้นจึงจะส่งผลต่อการเลือกตัวเก็บประจุเอาต์พุตและส่งผลต่อขนาดระลอกคลื่นของแรงดันเอาต์พุตอีกด้วย นอกจากนี้ ค่าตัวเหนี่ยวนำและค่าความจุเอาต์พุตจะส่งผลต่อการออกแบบผลป้อนกลับของระบบและการตอบสนองแบบไดนามิกของโหลดด้วย การเลือกค่าตัวเหนี่ยวนำที่มากขึ้นจะทำให้ตัวเก็บประจุเกิดความเครียดน้อยลง และยังช่วยลดการกระเพื่อมของแรงดันไฟฟ้าเอาท์พุตและสามารถกักเก็บพลังงานได้มากขึ้นอีกด้วย อย่างไรก็ตาม ค่าตัวเหนี่ยวนำที่มากขึ้นบ่งชี้ถึงปริมาตรที่มากขึ้น ซึ่งก็คือต้นทุนที่สูงกว่า ดังนั้นในการออกแบบคอนเวอร์เตอร์ การออกแบบค่าตัวเหนี่ยวนำจึงมีความสำคัญมาก

(5)

จะเห็นได้จากสูตร (5) ว่าเมื่อช่องว่างระหว่างแรงดันขาเข้าและแรงดันขาออกมากขึ้น กระแสริปเปิลของตัวเหนี่ยวนำจะมีมากขึ้น ซึ่งเป็นเงื่อนไขกรณีที่แย่ที่สุดของการออกแบบตัวเหนี่ยวนำ เมื่อรวมกับการวิเคราะห์อุปนัยอื่นๆ โดยปกติแล้วควรเลือกจุดการออกแบบตัวเหนี่ยวนำของตัวแปลงสเต็ปดาวน์ภายใต้เงื่อนไขของแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุดและโหลดเต็ม

เมื่อออกแบบค่าตัวเหนี่ยวนำ จำเป็นต้องทำการแลกเปลี่ยนระหว่างกระแสระลอกตัวเหนี่ยวนำและขนาดตัวเหนี่ยวนำ และปัจจัยกระแสระลอกคลื่น (ปัจจัยกระแสระลอกคลื่น γ) ถูกกำหนดไว้ที่นี่ เช่นเดียวกับในสูตร (6)

(6)

การแทนที่สูตร (6) ลงในสูตร (5) ค่าตัวเหนี่ยวนำสามารถแสดงเป็นสูตร (7)

(7)

ตามสูตร (7) เมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกมีขนาดใหญ่ขึ้น สามารถเลือกค่า γ ได้มากขึ้น ในทางตรงกันข้าม หากแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและขาออกอยู่ใกล้กัน การออกแบบค่า γ จะต้องมีขนาดเล็กลง เพื่อที่จะเลือกระหว่างกระแสระลอกตัวเหนี่ยวนำและขนาด ตามค่าประสบการณ์การออกแบบแบบดั้งเดิม γ มักจะอยู่ที่ 0.2 ถึง 0.5 ต่อไปนี้เป็นตัวอย่างของ RT7276 เพื่อแสดงการคำนวณตัวเหนี่ยวนำและการเลือกตัวเหนี่ยวนำที่มีจำหน่ายในท้องตลาด

ตัวอย่างการออกแบบ: ออกแบบด้วยตัวแปลงสเต็ปดาวน์การแก้ไขแบบซิงโครนัสตามเวลาคงที่ขั้นสูง RT7276 (Advanced Constant On-Time; ACOTTM) ความถี่ในการสลับคือ 700 kHz แรงดันไฟฟ้าอินพุตคือ 4.5V ถึง 18V และแรงดันเอาต์พุตคือ 1.05V . กระแสโหลดเต็มคือ 3A ดังที่ได้กล่าวข้างต้น ค่าตัวเหนี่ยวนำต้องได้รับการออกแบบภายใต้เงื่อนไขของแรงดันไฟฟ้าอินพุตสูงสุด 18V และโหลดเต็ม 3A ค่าของ γ จะถูกนำมาเป็น 0.35 และค่าข้างต้นจะถูกแทนที่ด้วยสมการ (7) ค่าตัวเหนี่ยวนำ ค่าคือ

ใช้ตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าตัวเหนี่ยวนำปกติอยู่ที่ 1.5 µH สูตรทดแทน (5) เพื่อคำนวณกระแสระลอกตัวเหนี่ยวนำดังนี้

ดังนั้นกระแสสูงสุดของตัวเหนี่ยวนำคือ

และค่าประสิทธิผลของกระแสเหนี่ยวนำ (IRMS) คือ

เนื่องจากส่วนประกอบระลอกคลื่นของตัวเหนี่ยวนำมีขนาดเล็ก ค่าประสิทธิผลของกระแสไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำจึงเป็นส่วนประกอบ DC เป็นหลัก และค่าที่มีประสิทธิภาพนี้จะถูกใช้เป็นพื้นฐานในการเลือก IDC กระแสไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำ ด้วยการออกแบบการลดเรตติ้ง 80% (การลดเรตติ้ง) ข้อกำหนดด้านความเหนี่ยวนำคือ:

L = 1.5 µH (100 kHz), IDC = 3.77 A, ISAT = 4.34 A

ตารางที่ 5 แสดงรายการตัวเหนี่ยวนำที่มีอยู่ของซีรีย์ต่างๆ ของ TDK ซึ่งมีขนาดใกล้เคียงกัน แต่ต่างกันในโครงสร้างแพ็คเกจ จากตารางจะเห็นได้ว่ากระแสอิ่มตัวและกระแสพิกัดของตัวเหนี่ยวนำที่ประทับ (SPM6530T-1R5M) มีขนาดใหญ่ และความต้านทานความร้อนมีน้อยและการกระจายความร้อนก็ดี นอกจากนี้ ตามการสนทนาในบทที่แล้ว วัสดุหลักของตัวเหนี่ยวนำที่ประทับตราคือแกนผงเหล็ก ดังนั้นจึงเปรียบเทียบกับแกนเฟอร์ไรต์ของตัวเหนี่ยวนำแบบกึ่งป้องกัน (VLS6045EX-1R5N) และตัวเหนี่ยวนำแบบป้องกัน (SLF7055T-1R5N) ด้วยกาวแม่เหล็ก , มีลักษณะอคติ DC ที่ดี รูปที่ 11 แสดงการเปรียบเทียบประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำที่แตกต่างกันที่ใช้กับตัวแปลงสเต็ปดาวน์การแก้ไขแบบซิงโครนัสตรงเวลาคงที่ขั้นสูง RT7276 ผลการวิจัยพบว่าความแตกต่างด้านประสิทธิภาพระหว่างทั้งสามไม่มีนัยสำคัญ หากคุณพิจารณาถึงการกระจายความร้อน ลักษณะไบแอส DC และปัญหาการกระจายสนามแม่เหล็ก ขอแนะนำให้ใช้ตัวเหนี่ยวนำ SPM6530T-1R5M

(5)

ตารางที่ 5. การเปรียบเทียบความเหนี่ยวนำของซีรีย์ต่างๆของ TDK

11

รูปที่ 11 การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของคอนเวอร์เตอร์กับตัวเหนี่ยวนำต่างๆ

หากคุณเลือกโครงสร้างแพ็คเกจและค่าตัวเหนี่ยวนำเดียวกัน แต่ตัวเหนี่ยวนำขนาดเล็กกว่าเช่น SPM4015T-1R5M (4.4×4.1×1.5 มม.) แม้ว่าขนาดจะเล็ก แต่ความต้านทาน DC RDC (44.5mΩ) และความต้านทานความร้อน ΘTH ( 51°C) /W) ใหญ่ขึ้น สำหรับตัวแปลงที่มีคุณลักษณะเฉพาะเดียวกัน ค่าประสิทธิผลของกระแสไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำยอมรับได้ก็จะเท่ากันเช่นกัน แน่นอนว่าความต้านทานกระแสตรงจะลดประสิทธิภาพภายใต้ภาระหนัก นอกจากนี้ความต้านทานความร้อนที่สูงยังหมายถึงการกระจายความร้อนที่ไม่ดี ดังนั้นเมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำไม่เพียงแต่จำเป็นต้องคำนึงถึงประโยชน์ของขนาดที่ลดลงเท่านั้น แต่ยังต้องประเมินข้อบกพร่องที่มาพร้อมกับมันด้วย

สรุปแล้ว

ตัวเหนี่ยวนำเป็นหนึ่งในองค์ประกอบแบบพาสซีฟที่ใช้กันทั่วไปในตัวแปลงพลังงานแบบสวิตชิ่ง ซึ่งสามารถใช้สำหรับการจัดเก็บและการกรองพลังงาน อย่างไรก็ตาม ในการออกแบบวงจร ไม่เพียงแต่ต้องคำนึงถึงค่าตัวเหนี่ยวนำเท่านั้น แต่พารามิเตอร์อื่นๆ รวมถึงความต้านทาน AC และค่า Q, ความทนทานต่อกระแสไฟฟ้า, ความอิ่มตัวของแกนเหล็ก และโครงสร้างบรรจุภัณฑ์ ฯลฯ ล้วนเป็นพารามิเตอร์ที่ต้อง นำมาพิจารณาเมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำ - พารามิเตอร์เหล่านี้มักเกี่ยวข้องกับวัสดุหลัก กระบวนการผลิต ขนาดและต้นทุน ดังนั้นบทความนี้จะแนะนำคุณลักษณะของวัสดุแกนเหล็กต่างๆ และวิธีการเลือกตัวเหนี่ยวนำที่เหมาะสมเพื่อใช้อ้างอิงสำหรับการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ