SubTitleIconNo01 什么是Bluetooth® Low Energy?


蓝牙是无线头戴设备、无线耳机等近距离声音通信的手段而普及至今。

Bluetooth® Low Energy是比蓝牙更省电,更方便用于IoT等用途,并加入蓝牙4.0的规格。

和原来的蓝牙一样,使用2.4GHz频带的电波进行通信,牺牲了原来的蓝牙的一定的传输速度和距离,实现了低消耗功率。

SubTitleIconNo02 推荐Bluetooth® Low Energy用功率电感器


在用于IoT的设备当中,信标和活动仪表等小型设备很多,因此需要尺寸更小、价格更低的功率电感器。

从结论来说就是,在此将介绍一些可以推荐用于Bluetooth® Low Energy的功率电感器。它们是使用层压构造铁氧体磁芯的0603(inch)尺寸LQM18DN100M70和LQM18PNR47NFR。
特别是LQM18DN100M70,它是充分利用了本公司的层压技术的新产品,尽管Rdc低,但仍实现了10µH的高电感和出色的直流叠加特性。

表1 推荐用于Bluetooth® Low Energy的功率电感器
内置DC-DC转换器的
开关频率
尺寸代码 型号 电感值
1MHz 0603(inch)
尺寸
LQM18DN100M70 10µH
4MHz
LQM18PNR47NFR 0.47µH

为什么推荐用于Bluetooth® Low Energy,接下来进行详细说明。

SubTitleIconNo03 用于Bluetooth® Low Energy的功率电感器需要的特性


Bluetooth® Low Energy IC内置的DC-DC转换器为Bluetooth® Low Energy准备了必要的电压。

这时,要外加电压转换用的功率电感器,此处用到的功率电感器的性能会左右DC-DC转换器的电力转换效率。
由于Bluetooth® Low Energy非常重视省电,因此必须在外部连接功率转换效率极高的功率电感器。

在此,对适合Bluetooth® Low Energy的功率电感器所需性能进行考察后,为您介绍具体的产品。

SubTitleIconNo04 调查不同电感器对功率转换效率的影响


本公司对不同的电感器如何影响Bluetooth® Low Energy的功率转换效率进行了调查。这里,关注电感器损耗中的DC损耗和AC损耗。DC损耗是由于流过电感器的电流中的直流成分而引起的损耗,使用直流阻抗(Rdc)和电流的直流成分(Idc)可用以下公式表示。

另一方面,AC损耗主要是由流过电感器的电流中的交流成分引起的损耗,绕线阻抗+磁芯损耗造成了我们看到的交流阻抗(Rac)和电流的交流成分(Irms),可用以下公式表示。

交流成分(Irms)表示电流振幅的大小,可以通过增加开关频率或增加功率电感器的电感值来降低。

2020年,内置在Bluetooth® Low Energy IC中的DC-DC转换器的开关频率以1MHz左右和4MHz左右为主流。本公司进行了一项模拟,调查在每个频率下使用电感分别为1.5uH和10uH的电感器时的DC损耗和AC损耗的比例变化情况(图1)。

虽然与频率条件等也有关,但功率电感器的Rac比Rdc更大。因此,如图1所示负载电流(=Idc)小至50mA以下的区域,DC损耗变得非常小,AC损耗占了大部分。

从这个结果来看,为了减少Bluetooth® Low Energy应用中的电感损耗,影响AC损耗的电感值和Rac是重要的参数。
低Rac同时高电感值是最为理想的,但提高电感值会导致绕线阻抗和磁芯损耗的增加。因而,取得电感值和Rac之间的平衡非常重要。
对于Rdc,可以认为在DC损耗比较小的Bluetooth® Low Energy环境中影响程度较低。但数值太大的话也不能忽视。
图1 Bluetooth® Low Energy用电源IC的AC损耗/DC损耗的比例


DC-DC转换器的电力损耗的重要原因,除了电感器损耗之外还有IC开关损耗和IC导通损耗等。
Bluetooth® Low Energy用的功率电感器中,电感值的大小可能会影响开关损耗,选型时也需要考虑这一点。

图2是对流经电感器的电流波形进行的仿真。
当在低负载(例如Bluetooth® Low Energy)下工作时,通常以称为PFM控制(脉冲频率调谐)的控制模式工作,以提高功率转换效率。在PFM控制中,不进行连续切换并减少次数,从而提高功率转换效率。图2的左图显示了电感值以相同频率变化时的电流波形。

电感值越大,电流振幅越小,但三角波的发生数量增大以匹配总电流量。这意味着开关次数的增加,会导致开关损耗的增加。图2的右图显示了以相同电感值改变频率时的电流波形。频率越高,电流振幅越小,但开关次数会增加。

这样,在PFM控制中,通过增加电感值和频率来降低电流振幅可以减小AD损耗,但也会增加开关损耗。
图2 改变电感值或开关频率时的电流波形


那么,究竟应该使用多少电感值呢?
在图3中,我们模拟了在1MHz和4MHz两种开关频率下改变电感值时DC-DC转换器的损耗(计算时基于LQM21P-GH系列的特性使Rac随电感值的变化而变化)。
该图分别显示了DC-DC转换器的总损耗和仅限电感器的损耗。

在开关频率低至1MHz的情况下,电感损耗随着电感值的增大而减小,并且总损耗也会减小。
另一方面,在4MHz的情况下,电感值越大,电感损耗越低,但总损耗增加。这是由于电感值大导致的开关损耗增加。
对比1MHz,在4MHz的情况下,首先由于开关次数多引起了开关损耗的比例增加,电感值波动使得开关损耗的增加变得更显著。

从这些结果可以看出,降低总损耗的适宜电感值在1MHz时约为10µH,在4MHz时约为0.47µH~1.0µH。
图3 电感值与功率损耗之间的关系

SubTitleIconNo05 适用于Bluetooth® Low Energy的电感器的总结


图4汇总了适用于Bluetooth® Low Energy的电感器。
如上文所解释的,当开关频率为1MHz时,电感值约为10µH,而当开关频率为4MHz时,电感值在0.47µH至1.0µH较为合适。

【1MHz时】

电感为10µH以上,低Rac很重要。
推荐电感器 : LQM18DN100M70

【4MHz时】

电感为0.47~1.0µH,低Rac很重要。
推荐电感器:LQM18PNR47NFR
图4 功率电感器所需特性汇总

SubTitleIconNo06 选择用于Bluetooth® Low Energy的电感器的性能


本公司使用Bluetooth® Low Energy测试板,对更换功率电感器时的功耗进行了比较评估。即使对于具有相同电感的电感器,结果也会因直流电阻和磁性材料特性的差异而有所不同。

图5是开关频率为1MHz时的结果。LQM18DN100M70是结合了本公司的电极形成技术和层压技术的新产品,实现了低Rdc和出色的直流叠加特性。可以看出,与传统产品LQM18FN100M00相比,功耗已大幅降低。此外,与其他制造商推荐的产品相比,它的特性也很出色。
图5 开关频率为1 MHz时的功耗比较


图6是开关频率为4MHz时的工作情况。可以看出,在这种工作条件下,当电感值低于10µH时,可以减少电感损耗。从本公司的产品阵容来看,LQM18PNR47NFR可以最大程度地减少功耗。
图6 开关频率为4MHz时的功耗比较

SubTitleIconNo07 总结


由于用于Bluetooth® Low Energy的功率电感器会影响功率转换效率,因此它是左右Bluetooth® Low Energy的特长——低功耗的关键零件。

电感器所需的规格取决于Bluetooth® Low Energy中使用的功率IC的开关频率,在1MHz时约为10µH,在4MHz时约为0.47-1.0µH。

但是,即使形状相同,电感值也相同,功率转换效率也会因电感器系列而异,因此有必要选择适合Bluetooth® Low Energy的电感器系列。


这里介绍了适合Bluetooth® Low Energy的功率电感器

支持1MHz的开关频率   支持4MHz的开关频率
LQM18DN100M70
  LQM18PNR47NFR
产品详情请参照此处    产品详情请参照此处