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。
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。
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。