功率电感器基础讲座-第3章-1

第3章 什么是DC-DC转换器的重要特性


在第2章中,已对DC-DC转换器的分类和工作原理进行了说明。然而,仅靠这些说明并不能明确解释功率电感器的必要特性。为了明确DC-DC转换器的重要特性与功率电感器的必要特性的关联,需要对DC-DC转换器所需的重要特性进行探讨。


3.1 DC-DC转换器的重要特性

DC-DC转换器需具备多种特性,而由于功率电感器的性能会对其产生较大的影响,因此尤其需要具备以下3个重要特性。 
即①效率、②纹波电压、③负载响应。
接下来,将对这些特性的具体内容及其与功率电感器的关系进行说明。


图3-1 DC-DC转换器的重要特性



3.2 效率

首先就功率进行说明。在理想的无损耗DC-DC转换器中,输入功率与输出功率相等。此时效率为100%。然而,在实际的DC-DC转换器中,仅PDC-DC的部分会消耗功率,因此输出功率小于输入功率。效率可用以下公式表示。PDC-DC越小,效率就越高。
此外,本章中所述的“效率”不仅限于功率电感器的效率,而是指DC-DC转换器整体的效率。


图3-2-1 DC-DC转换器的功耗


图3-2-2为效率测量结果的示例。流过负载的电流(Iout)会因应用领域而发生各种变化,因此多置于X轴。

图3-2-2 DC-DC转换器的效率示例


在DC-DC转换器中消耗的功率PDC-DC大致可分为以下三种:PIC、PPI、Pother。PIC为IC产生的损耗,包括开关损耗和由ON电阻导致的损耗等。PPII为电感器产生的损耗。Pother为电容器的ESR导致的损耗等其他损耗。
因工作条件和IC性能而异,PPI有时可占整体功耗PDC-DC的大约50%。因此,其对于功率电感器的效率影响较大,需具备低损耗的特性。

图3-2-3 电源 负载电阻 功耗的具体内容


如以下公式所示,电感器损耗PPI可由DC损耗和AC损耗两个部分表示。DC损耗表示因直流电流而产生的损耗,而AC损耗则表示因交流电流而产生的损耗。DC损耗表示因直流电流而产生的线圈导体的损耗,因此与Rdc(直流电阻)成正比。另一方面,AC损耗则与Rac(交流电阻)成正比,除因交流电流而产生的线圈导体的损耗外,还包括被称为铁耗的芯材损耗。此外,频率变高时,导体损耗还会因为趋肤效应呈增加趋势。此处提到的Rac以下述公式表示。Racspan style="font-size: 13px;">1表示因趋肤效应而增加的导体电阻成分,Rac2则表示因芯材而产生的电阻成分。


图3-2-4 电感器损耗的具体内容


图3-2-5为相对于负载电流的AC损耗和DC损耗的示意图。流过电感器的电流的AC成分取决于输入、输出电压和频率。因此,即使负载电流发生变化,AC损耗量也不会出现较大的变化。另一方面,DC损耗的产生则与负载电流的平方成正比。低负载时电流较小,因此DC损耗也较小,而负载电流增加时,DC损耗也将大幅增加。因此,在低负载范围内AC损耗将起决定性作用,而在高负载范围内,DC损耗则起决定性作用。

图3-2-5 低负载、高负载下的决定性损耗


接下来,将通过仿真实验验证功率电感器的电感、Rdc、Rac发生变化时将对效率产生怎样的影响。设定仿真实验的条件时,将移动设备中使用的降压转换器作为假设。

  • 仿真软件 : LTSPICE
  • DC-DC转换器 : Linear Tech LTC3612
  • 工作频率: 4MHz
  • 输入电压 : 3.6V
  • 输出电压 : 1.8V
  • 输出电流Iout : 10m~3A
图3-2-6 通过仿真实验进行的效率评估


图3-2-7为将Rdc从0.01变到2.0Ω的过程中效率的变化结果。低负载时Idc较小,因此即使Rdc发生变化,效率也基本保持不变。然而,由于高负载时Idc较大,因此Rdc的变化将对效率产生较大的影响。

图3-2-7 Rdc对效率的影响


接下来,将显示将Rac从0.1变到10Ω的过程中效率的变化结果。由于Rac会影响AC损耗量,因此在AC损耗起决定性作用的低负载情况下,Rac将对效率产生较大的影响。但在高负载情况下,随着Idc的增加,DC损耗将起决定性作用,因此即使Rac发生变化,效率也基本保持不变。

图3-2-8 Rac对效率的影响


最后显示将电感从0.22μH变到2μH的过程中效率的变化结果。同Rac一样,电感也会对AC损耗量产生影响。因此,电感虽然会在低负载时对效率产生较大的影响,但在高负载时却基本不会产生影响。

图3-2-9 电感对效率的影响


电感之所以会影响效率,是因为流过电感器的电流的AC成分取决于电感。三角波电流的斜率与电感的倒数成正比。因此,电感越大,电流振幅就越小,AC损耗也随之减少。

图3-2-10 电感影响效率的理由


综上所述,为了抑制电感器损耗,电感器需具备低负载时低Rac、高电感,高负载时低Rdc的重要特性。

图3-2-11 电感器需具备高效率的特性



目录:第3章 什么是DC-DC转换器的重要特性
  3.1 DC-DC转换器的重要特性
3.2 效率

3.3 纹波电压
3.4 負负载响应
3.5 与功率电感器的关系