电源线用电感器功率电感器基础讲座-第4章

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由于功率电感器是构成DC-DC转换器的功能元器件之一，因此选择功率电感器必须基于目标DC-DC转换器的各种特性进行。
在第3章中，我们说明了受功率电感器影响较大的DC-DC转换器的重要特性。
一般情况下通过实验或仿真来对这些重要特性的优劣进行评估，从而选择功率电感器。
此外，如第1章所示，即使是具有相同电感的功率电感器，也存在多种工艺方法的元器件。
以村田的代表品种为例，各元器件的特征如下所示。

通过使用金属磁性材料，通过Itemp、Isat和Rac等各种特性实现了出色的性能。
近年来，它已成为很多市场的主要元器件。

结构决定了其优势是小型化和低成本。在以小电流运行的小型设备等当中得到了广泛使用。

其特征是涵盖了高电感的强大产品阵容，即使是高电压或大电流应用也能应对。

如上所述，功率电感器的种类繁多，因此，通过对所有候选者进行实验或仿真来试错选择的效率不高。
“SimSurfing”是可在本公司网站使用的免费设计辅助软件，其产品群中包括了DC-DC转换器设计辅助工具，该工具通过DC-DC转换器的简易电路仿真和高精度功率电感器特性库为选择功率电感器提供了一种简单的方法。
本章对第1章至第3章进行总结，并说明使用本公司的DC-DC转换器设计辅助工具选择功率电感器的方法。

DC-DC转换器设计辅助工具是本公司的SimSurfing工具群当中的一个，可以在这里使用。
该工具可以很容易地计算出任何功率电感器（及电容器）的以下3个参数，它们是DC-DC转换器的重要特性，如第3章所述对功率电感器的性能具有重大影响。
此外，您还可以查看功率电感器在DC-DC转换器的实际规格下消耗的功率。
本节说明以下项目的概要，下一节将给出具体的使用示例。

此处使用下述本公司金属合金绕线型电感器DFE、铁氧体多层型LQM和铁氧体绕线型LQH作为示例说明工具的概要。下面显示了每个电感值的电气特性。

DC-DC转换器动作条件设定表格：显示例）Vin：3.6V，Vout：1.8V，频率：2MHz，Idc Max：2A

元器件选择表格：根据产品名称和特性值选择商品。

通过元器件选择表格选择以下3个项目，将DC-DC转换器的条件设定为Vin=3.6V，Vout=1.8V，Idc=1A，并将开关频率设定为2MHz或6MHz，则输出如下图形。

横轴表示输出的直流电流Idc[A]，纵轴表示效率[%]。从本结果可以看出，DFE252010F在2MHz时效率更高，而LQM2HPN在6MHz时效率更高。

Output Voltage(Vout)与效率一样以图形输出。
横轴表示时间[us]，纵轴表示电压[V]。
随着频率的升高，纹波电压降低，此外，可以看到DFE的纹波电压降低、LQM的纹波电压升高的趋势。这是由于DFE和LQM在直流电流叠加时的L不同。

负载响应特性以Load Transient的图形输出。
横轴表示时间[us]，纵轴表示电压[V]。
负载变动的条件在DC-DC转换器动作条件设定表格中设定如下。
可以通过将Setup Condition设为Standard来更改此设定。

负载响应波形和LC滤波器条件没有改变，所以负载响应特性在这里不依赖于开关频率。
从本结果可以看出，LQM的响应特性优于DFE的响应特性。

如果要确认单个功率电感器或电容器的特性，则需要从图形显示表格顶部的选项中添加要显示的新图形。
要确认功率电感器的功耗时则选择“Inductor Loss”。

添加项目则添加Inductor Loss的图形。
横轴表示输出电流[A]，纵轴表示功耗[W]。
该指标与效率相关，效率越高，功耗越低。
因此，DFE在2MHz时功耗降低，LQM在6MHz时功耗降低。

在本节中，以IoT/小型移动设备为例，展示功率电感器的选择事例。
在目标应用中使用锂离子电池，一般情况下体积小，功耗低。
因此，对功率电感器的要求呈现小型化和高电感值的趋势。
从通用电路模块中选择当DC-DC转换器的工作条件如下所示时的理想功率电感器。

接下来，确定适合DC-DC转换器电路工作条件的电感值。
一般情况下，功率电感器的电感值通过以下公式计算。
这里显示了输出电流纹波比，设定的是流过功率电感器的三角波电流的电流振幅与输出电流大小的比率（见下图）。
本参数决定了纹波与负载响应特性之间的平衡——折衷结果，但一般认为在0.3~0.4左右比较合适。
如果按本次的工作条件计算，可以发现大约6~10uH左右是合适的。

*r是输出电流纹波比
r = Ip-p/Idc

确定了电感值后，在元器件选择表格的“Inductance”栏中设定该值。
只设定这一项会有100多种功率电感器成为候选，不知道哪一种合适。

为了缩小商品范围，下面按效率排序。
为了按效率排序，首先选择“Efficiency Calculation”按钮，汇总计算工作条件（输出电流为100mA）下的效率。
效率计算完成后，计算结果将添加到“Efficiency”项目中。
由此可以知道哪个功率电感器的效率高。
但是，大电感器出现在候选者中，而用于IoT/小型移动设备的电感器不在候选者中。
* NRND产品不包括在内。

最后，通过按尺寸排序将小型功率电感器显示在顶部。
效率和尺寸之间需要折衷，因此可以根据优先考虑的项目选择理想的功率电感器。
在本次的情况下，可以将以下2种商品列为候选商品。

• 重视效率时：LQM21DN100M70
• 重视尺寸时：LQM18DN6R8M70

在本章中，我们展示了通过本公司的SimSurfing（DC-DC转换器设计辅助工具）能够方便地确认第1~3章中展示的功率电感器的各种特性及密切相关的DC-DC转换器的各种特性。
此外，还展示了简单的选择事例。
更多详细信息请查看手册。
通过使用本工具，无需通过实际设备或仿真对所有候选电感器进行评估，就能在考虑主要参数后选择功率电感器，可以大幅减少设计工时。