高頻電感的計算方法

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1、 電電 感感 器器 設設 計計 理理 論論 Inductor Design Theory第第一一節(jié)節(jié) 概概述述 電感器作為磁性元件的重要組成部分,被廣泛應用於電力電子線路中。尤其在電源電 路中更是不可或缺的部分。如工業(yè)控制設備中的電磁繼電器,電力系統(tǒng)之電功計量表(電度 表)。開關電源設備輸入和輸出端的濾波器,電視接收與發(fā)射端之調諧器等等均離不開電感 器。電感器在電子線路中主要的作用有:儲能、濾波、扼流、諧振等。在電源電路中,由於電路處理的均是大電流或高電壓的能量傳遞,故電感器多為功率型 電感。正是因為功率電感不同於小信號處理電感,在設計時因開關電源的拓撲方式不一樣,設計方式也就各有要求,造成設

2、計的困難。當前電源電路中的電感器主要用於濾波、儲 能、能量傳遞以及功率因數校正等。電感器設計涵蓋了電磁理論,磁性材料以及安規(guī)等諸多方面的知識,設計者需對工作情況 和相關參數要求(如:電流、電壓、頻率、溫升、材料特性等)有清楚了解以作出最合理的設計。第第二二節(jié)節(jié) 電電感感器器的的分分類類 電感器以其應用環(huán)境、產品結構、形狀、用途等可分為不同種類,通常電感器設計是以 用途及應用環(huán)境作為出發(fā)點而開始的。在開關電源中以其用途不同,電感器可分為:共模濾波電感器 (Common Mode Choke)常模濾波電感器 (Normal Mode Choke)功率因數校正電感 (Power Factor Cor

3、rection-PFC Choke)交鏈耦合電感器 (Coupler Choke)儲能平波電感 (Smooth Choke)磁放大器線圈 (MAG AMP Coil)共模濾波電感器因要求兩線圈具有相同的電感值,相同的阻抗等,故該類電感均采用對稱 性設計,其形狀多為TOROID、UU、ET等形狀。常模濾波電感器與平波電感有相類式的結構,通常由單組或兩組線圈構成,其形狀較多。如:TOROIN、EE、ER、DR、RH等形狀。功率因數校正電感因其工作方式不同,有無源型和有源型兩種,其結構也有很大差別,無源 型多采用EI OR EE形矽鋼片磁芯,有源型多采用鐵粉磁芯。交鏈耦合電感器通常由幾個繞組在同一磁

4、芯上,以改善多路輸出間之交互穩(wěn)壓性能。因 此其磁芯規(guī)格較大,要求可用繞線窗口面積需足夠大。通常以TOROID、E型磁性居多。磁性放大器因要求有足夠高的角形比(Br/Bs),因此限制了材料的可選性,目前首選材料 為非晶態(tài)磁芯,此類磁芯以TOROIN型最為常見。由此可見電感器的結構及形狀多由其用途及環(huán)境決定。第第三三節(jié)節(jié) 共共模模濾濾波波電電感感器器(Common Mode Choke)的的設設計計 共模濾波電感器又稱共模扼流線圈(以下簡稱共模電感或 CM.M.Choke)或Line Filter。1.共共模模電電感感的的工工作作原原理理 在開關電源中,由於整流二極管和濾波電容以及電感中的電流或電

5、壓急劇變化,產生電磁 干擾源(noise),同時輸入電源中也存在工頻以外的高次諧波雜訊,這些干擾若不加以扼制,將對 負載設備或開關電源本身造成損害,因此若干國家之安規(guī)機構對電磁干擾(EMI)發(fā)射量均作出 了相應的管制規(guī)定。當前開關電源的開關頻率日趨高頻化EMI也隨之日益嚴重,所以開關電源 中均須設置EMI濾波器,EMI濾波器需對常模及共模雜訊均作出相應的抑制,以達到某一規(guī)定標 準。常模濾波器負責濾出輸入或輸出端兩根線間之差模干擾信號,共模濾波器負責濾出兩條入線 之共模干擾信號。實際共模電感因其工作環(huán)境不同,又可分為AC CM.M.CHOKE;DC CM.M.CHOKE和SIGNAL CM.M.

6、CHOKE三種,在設計或選用時應於以區(qū)分。但其工作原理完全相同,工作原理如圖(1)所示:圖圖 1 共共模模電電感感的的作作用用 如圖所示,在同一磁環(huán)上繞上兩組方向相反的線圈,據右手螺旋管定則可知,當在輸入端 A、B兩端加上極性相反,信號幅值相同的差模電壓時,有實線所示的電流 i2,在磁芯中產生實線 所示的磁通2,只要保證兩繞組完全對稱,則磁芯中兩不同方向之磁通相互抵消?？偞磐榱?線圈電感幾乎為零,對常模信號無阻抗作用。若在輸入端A、B兩端加上極性相同,幅值相等的OUTAB1122i 1i 2i 2i 1 共模信號時,有虛線所示的電流 i1,在磁芯中產生虛線所示的磁通1,則磁芯中磁通有相同的

7、方向而互相加強,使每一線圈的電感值為單獨存在時的兩倍,而 XL=L,因此,此一繞法的線 圈對共模干擾有很強的抑制作用。實際的EMI濾波器由L、C組合而成,設計時也常常將差模與共模抑制電路組合在一起 (如圖 2),因此,設計時需依據濾波電容的大小以及所需符合的安規(guī)標準作出電感值的決定。圖中L1、L2、C1構成常模濾波器,L3、C2、C3構成共模濾波器。圖圖 2 EMI濾濾波波器器電電路路 2.共共模模電電感感器器的的設設計計 在設計共模電感之前,首先要考量線圈須行符合以下原則:1 正常工作狀態(tài)下,不致因通電電源電流而造成磁芯飽和。2 對高頻干擾信號要有足夠大的阻抗,且有一定的頻寬,而對工作頻率之

8、信號電流有最 小的阻抗。3 電感的溫度系數應小,而分布電容宜小。4 直流電阻應盡量小。5 感應電感應盡量大,電感值需穩(wěn)定。6 繞組間之絕緣性須滿足安規(guī)要求。共共模模電電感感器器之之設設計計步步驟驟:Step 0 SPEC取得:EMI允許級別,應用位置。Step 1 電感值確定。Step 2 core材質及規(guī)格確定。Step 3 繞組匝數及線徑確定。Step 4 打樣 Step 5 測試L1L2L3C1C2C3 3.設設計計舉舉例例 圖圖 3 實實際際 EMI 濾濾波波器器 Step 0 :如如圖圖3所所示示EMI濾濾波波電電路路 CX=1.0 Uf Cy=3300PF EMI等級:Fcc Cl

9、ass A Type:Ac Common Mode Choke Step 1 :電電感感(L)確確定定:由電路圖可知共模信號由L3和C2、C3組成的共模濾波器抑制,實際L3與C2和C3構成 兩路LC串聯(lián)電路,分別吸收L和N線上的雜訊。只要確定濾波電路的截止頻率,也已知電容 容量C,則可以下式求出電感 L。f o=1/(2LC)L=1/(2f o)2C 通常EMI測試頻寬如下:傳導干擾:150KHZ 30MHZ (注:VDE標準 10KHZ-30M)輻射干擾:30MHZ 1GHZ 實際的濾波器無法達到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線,通常可將截止頻率設定在 50KHZ左右。在此,假設 f o=50K

10、HZ,則 L=1/(2f o)2C=1/(2*3.14*50000)2*3300*10-12=3.07mH L1、L2、C1組成(低通)常模濾波器,線間電容有1.0uF,則常模電感為:L=1/(2*3.14*50000)2*1*10-6=10.14uH 如此,可得到理論要求的電感值,若想獲得更低的截止頻率 fo,則可進一步加大電感值,截止頻率一般不低於10KHZ。理論上電感量越高對EMI抑制效果越好,但過高的電感將使 截止頻率更低,而實際的濾波器只能做到一定帶寬,也就使高頻雜訊的抑制效果變差(一般 開關電源的雜訊成分約為5 10MHZ間,但也有超過10MHZ之情形)。另外,電感量愈高,則繞 線

11、匝數愈多,或CORE之ui越高,如此將造成低頻阻抗增加(DCR 變大)。匝數增加使分布電 容也隨之增大(如圖4),使高頻電流全部經此電容流通。過高的ui使CORE極易飽和,同時制作也極困難,成本也較高。罌繰罃繾罌繯罃繰L1C3P?嘰 翿婈罧 圖圖 4 4 有有分分布布電電容容CdCd之之等等效效電電路路圖圖 Step 2 CORE材材質質及及SIZE確確定定 從前述設計要求中可知,共模電感器需不易飽和,如此就需要選擇低B-H角形比之材料,因需要較高的電感值,磁芯的ui值也就要高,同時還必須有較低的磁芯損耗和較高的Bs值,符 合上述要求之CORE材質,目前以Mn-Zn 鐵氧體材料CORE最為合適

12、。COEE SIZE在設計時並無一定的規(guī)定,原則上只要符合所需電感量,且在允許的低頻損 耗範圍內,以所設計的產品體積最小化即可。因此,CORE材質及SIZE選取應以成本、允許損耗、安裝空間等作考量。共模電感常 用CORE之ui約在 2000 10000之間。Iron Powder Core 也有低的鐵損,高的Bs和較低的 B-H角形比率,但其ui較低,故一般不被應用於共模電感,而該類磁芯卻是常模電感器之優(yōu) 選材料。Step 3 確確定定匝匝數數N和和線線徑徑dw 首先確定CORE之規(guī)格,如本例采用T18*10*7、A10、AL=823030%,則:N=L/AL=(3.07*106)/(8230

13、*70%)=23 TS 線徑以電流密度 3 5A/mm2為選擇原則,若空間允許可選擇盡量低的電流密度。假設本例輸入電流 I i=1.2A,取 J=4 A/mm2 則 Aw=1.2/4=0.3 mm2 0.70 mm 實際的共模電感還必需通過實做樣品進行測試,方可確認設計之可靠性,因為制作工 藝的差異也將導致電感參數的差異而影響濾波效果,如分布電容的增加,將使高頻雜訊更 易傳遞,兩繞組的不對稱性,使兩組感量差異變大,對常模信號形成一定阻抗。4.小小結結 1 共模電感器的作用是濾除線路中的共模雜訊,設計時要求兩繞組具有完全對稱的 結構,電參數相同。2 共模電感的分布電容對抑制高頻雜訊有負面影響,應

14、盡量減小。3 共模電感的感值與須濾除的雜訊頻帶及配合電容容量有關,通常感值在 2mH 50 mH之間。L2L1RRLNCdCd第第四四節(jié)節(jié) :Smooth Choke(平平波波電電感感器器)1.概概述述 :Smooth Choke是Choke家族中被廣為應用的一類。在電源的輸入與輸出端,都可以看到 它的身影。在開關電源中,Smooth Choke主要用在副邊輸出部份,因此又稱其為輸出儲能電感,其主要 作用是平滑輸出電流減小輕負載時之負載變動,降低輸出電容Co的漣波電流,把Ripple控制在一 個可接受的範圍。在DC/DC轉換器中一次則輸入端也會用到Sommth Choke。Smooth Cho

15、ke依其作用或磁路結構的不同,有非常繁多的種類。就其形狀而方言有E型、T型、RH型、DR型、ROD型等。此類電感屬典型的功率電感,其繞組的線徑一般較粗,都有較 大的直流電流流過,電感器的磁芯都加有較大的直流偏磁電流。所以磁芯必須有氣隙,通常采 用Iron Powder Core或MPP Core,Feerite Core加上GAP等。2.Smooth Core的的工工作作原原理理:由於電感特有的自感特性:eL=-L i/t 自感電勢的方向總是企圖阻止電流的變化。而自感電動勢的大小與電感L及電流變化 率i 的乘積成正比,Smooth Choke正是利用這一原理陰礙電流的突然變化。電感器從電源 取

16、得能量,轉換成磁能存儲起來,再將磁能釋放給負載。利用電磁變換的緩衝作用平滑輸出 電流。由此可見,要使輸出有連續(xù)穩(wěn)定的電流,電感電流應連續(xù),即工作於CCM狀態(tài)。如此電 感中需儲存有足夠的能量。電感量也就必須有足夠大。由 VL=L i/t VL=Vs-Vo i=IL 則 L=(Vs-Vo)*t/IL 或 L=Vo*toff/ILEng=1/2 LI2o(max)由圖4可知,輸出濾波器實際由Lo、Co構成一低通濾波電路。理論上Lo與Co可為任何比 值,實際應用中為減小體積,通常Lo取較小值(僅大於臨界電感),C取值較大(常取1000uF),如此還 有以下優(yōu)點:(1)有較小的實波阻抗(Surge im

17、pedence)。當負載電流為步階(階梯)式變化時,有較好 的暫態(tài)特性。(2)整體損耗小。因在同樣的儲能狀況下,電感比電容損耗大。但L小,C大時,啟動電流大,L易飽和。在實際設計時應視應用要求采用折衷的方法。3.Smooth Core Design.設計步驟:step0.SPEC確定 step1.計算所需電感量L step2.CORE規(guī)格確定 step3.計算所需氣隙(AIR GAP)lg step4.求繞組匝數N step5.估算線徑 設設計計舉舉例例 :step0:SPEC:50KHZ,100W 的的Forward電電源源供供應應器器.輸出為:5VDC,20A 轉換器之Dmin=0.25要

18、求使用 Ferrite core,Iomin=5ADC step1:計計算算所所需需電電感感量量LO在設計時為確保電感電流 IL連續(xù)(IL=Io),Lo應大於臨界電感 LB,故應首先求出 凹口時間toff,此時應求最大凹口時間,即對應於Dmin時之toff.toff =(1-Dmin)*Ts =(1-0.25)*1/(50*103)=15(s)Lo=Vo*toff/IL OR Lo=Vo*toff/0.25 Io(max)本例假設Io允許波動範圍為25%Iomax.則:Lo=5*15/(0.25*20)=15(H)依本式計算Lo,則:Lo LB=(5+0.7)*15/(2*5)=8.55(H)

19、原則上Lo愈大愈好,但Lo愈大則要求匝數需愈多,或CORE之AL值應越大,則勢必造成銅 損或成本的上升。因此設計時應綜合考量作取舍。step2:CORE材材質質及及規(guī)規(guī)格格確確定定:本例選用 Mn-Zn Ferrite core,取 TDK PC40材.Bs=0.39 T,Br=0.055 T,Bm=Bs-Br=0.33 T.以面積乘積法求出CORE之AP.AP=2*Eng*104/(Bm*Ku*J)式中:Eng=1/2 L I2o(max)Eng=1/2*(15*10-6)*202=0.003 j=3000 uj Ku:繞組系數0.2 (經驗值)J:電流密度 A/cm 則 AP=Ae*Aw=

20、2*0.003*104/(0.33*0.2*500)=1.82(cm4)查DATA BOOK可知 ETD34之AP=1.82cm4 符合本例要求,若希望有更大的繞線空間也 可選用EI40 或 ERL35等,本例選用PC40 ETD34,其參數如下:Ae=0.971cm2,Aw=1.88cm2,AL=2780 25%step3.計計算算 lg.lg=Lo(Iomax+Iomin)2*o/(Ae*B2m)=1.5*(5+20)2*4*3.14*10-7/(1.82 *0.332)=0.0594cm=0.594mm 式中:Lo 電感量 (H)o=4*10-7 Ae:CORE有效截面積(cm)Bm:磁

21、通量(T)step4.求求匝匝數數 N N=Bm*lg/(0.4Io)式中:Bm (Guss),lg (cm)=3300*0.0594/(0.4*3.14*20)=7.8 8 Ts step5.計計算算線線徑徑 dwAws=I/J=20/5=4(mm)2查表可知 2.30mm之WIRE Aws=4.15(mm)2,2.30mm之WIRE無法捲繞,可采用 8*0.8 WIRE或用10mils*18mm Copper foil繞制。ETD34 BOBBIN繞線幅寬為21mm,也可以采用 8mils*20mm之Copper Foil。小小結結:1 Smooth Choke多用於電源輸出級,又稱Out

22、put Choke。通常都有較大的直流通過,故 core必須有GAP。2 原則上Lo越大越有利於電流連續(xù),而減小紋波,但需考量銅損及core不致飽和。3 匝數可在一定範圍內調整,但需調整GAP,以免CORE飽和。4 Lo的最大值通常受效率、體積、造價的限制。5 Lo過大則限制了負載出現(xiàn)大的瞬時變化時輸出電流的最大變化率。設設計計舉舉例例 step0:SPEC:50KHZ,100W 順順向向式式轉轉換換器器,輸輸出出5V.20A ripple current 1%Io,Dmin=0.2 step1:計計算算電電感感 Lo Lo=Vo*toff /0.25 Iotoff =(1-Dmin)*Ts

23、Lo=(5+0.7)*(1-0.25)*1/50*103/(0.25*20A)=17.1(H)step2:確確定定core規(guī)規(guī)格格 1 本例選取micrometals#26 or#52材 2 計算所需儲能量 (1/2LI2)Eng=1/2LoIo2=1/2*17.1*202=3420 J 3 查micrometals DATA BOOK T130-26 可獲得上述Eng,25時。step3:求求匝匝數數 N.查 DATA BOOK可知 T130-26 之AL=81.0 10%則 N=Lo/AL 1/2 N=17100/81=14.5 Ts或查儲能曲線,可知T130需要約340安培一圈以產生3420J,因此 NI=340則 N=340*20=17 Ts step4:求求線線徑徑dws.Aws=I/J,取 J=5 Aws=20/5=4 mm2 2.30mm 采用1.15*4並繞,則總圈數為17*4=68Ts,查線組表可知 T130-26 core 1.15 wire單 層繞線為45Ts,即本例須排二層,第二層疏繞。L1L2L3C1C2C3L2C1L3C2L1C33300P3300PLNG220V 50HZ1L2L1RRLNCdCdOUTAB1122