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本文摘要:超低功率或超高输出开关电源|稳压器的电感并不像一般的开关电源那样可以自由选择。

超低功率或超高输出开关电源|稳压器的电感并不像一般的开关电源那样可以自由选择。现在通常的电感是为一些主流设计生产的,不能很好地适合一些类似设计。本文主要讨论超低功率、超高效率Buck电路的电感自由选择问题。

典型的应用实例是小型电池的长时间供电设备。在这种电路中,让工程师棘手的问题主要是电池容量(成本和体积)和Buck电路的体积、效率的对立。为了增大开关电源的体积,最低也可以自由选择最低的电源频率。

但是,开关损失和输入电感的损失不会随着电源频率的上升而减少,可能会成为影响效率的主要原因,因此这些对立大幅度提高了电路设计的玩耍性。反向电路的电感拒绝对工程师来说可能是第一个识别铁磁元件(电感)的非线性器件。但是,根据制造商取得的数据,很难预测高频下的电感损失。

因为制造商一般只获取开路电感、工作电流、饱和电流、直流电压、自激频率等参数。在大多数开关电源设计中,这些参数已经足够了,根据这些参数自由选择合适的电感也非常容易。但是,在超低电流超高频亲率开关电源中,电感磁芯的非线性参数对频率非常脆弱,其次频率也要求线圈损耗。

在通常的开关电源中,相对于直流I2R损失,磁芯损失完全可以忽略。因此,一般来说,除了关于自激频率的参数以外,电感完全没有关于频率的参数。

但是,在超低功率、超高频的亲率系统(电池供电设备)中,这些高频损失(磁芯损失和线圈损失)通常不比直流损失小。线圈损耗还包括直流I2R损耗和交流损耗。

其中,交流损失主要是由于表皮效应和邻近效应。表皮效应等于随着频率的上升而移动的电荷在导体表面更缓慢地流动,增大导体导电的横截面积,提高交流电阻。例如,在2MHz频率下,导体的导电深度(从导体表面朝向横向)只有约0.00464。这将使电流密度减少到原来的1/e (约0.37 )。

邻近效应是指电感在相邻导线上产生电流的磁场相互不影响,引起所谓的按压电流,不使交流电阻上升。表皮效果可以用多芯电线(同一导线中含有多根粗导线)减轻。在交流电流纹波比直流电流更接近的电路中,多芯电线可以有效地降低电感的总损耗。

磁芯损耗主要是由磁滞现象、磁芯内部的传导率和其他非线性参数的互感产生的。在Buck流形结构中,第一象限的B-H磁滞环对磁芯损耗的影响如下。

在称为第一象限的局部图中,磁滞回线表示电感从初始电感量转移到峰值电感量,返回到初始电感量的过程。如果开关电源在非倒数的状态下顺利动作,磁滞回线不会从剩馀的电感量(Br )转移到峰值电感量(参照图1 )。

开关电源在倒数状态下动作时,磁滞回线不会从直流偏置点到曲线的峰值,返回直流偏置点。可以通过实验确认磁滞回线的正确曲线形状(基本上是椭圆曲线)。

图1的某Buck电路的电感B-P磁滞回线的大部分磁芯含有粉状磁性材料和陶瓷等粘接材料。还没有使用的芯,被薄的粘接材料复盖,是相互独立的国家,可以非常简单地认为是具有随机方向性的多个磁针。现在不需要详细说明磁芯损耗的统一模型,所以用上述经验模型来说明磁芯损耗,本文最后的参考文献中有更熟悉的磁芯模型,可供读者参考。磁方向近似的附近的磁针不会相互影响,构成联盟。

这些磁针被粘结材料复盖,在物理上是相互独立的国家,但它们之间的磁场是相互关联的。我们把这些联盟称为单元。单元的边界是内部联盟和外部磁针的分离面。

单元边界外的磁针不能与边界内的联盟牵引。这些边界称为单元壁,该模型经常用于说明磁芯的许多基本参数。

在磁芯中产生磁场时(在线圈中产生电流时),方向不同的单元之间是相关的。足够强的电流构成其他施加磁场时,它们附近的线圈单元所处的磁场更强,首先不会构成牵引(更大的单元)。这时位于深层的单元没有受到磁场的影响。

连接头部的单元和不受影响的单元之间的单元壁在磁场的作用下继续向磁芯的中心移动。如果线圈内的电流没有复原或旋转,整个磁芯就不会被牵引。磁芯整体的磁针相连,称为饱和状态。

从电感制造商得到的B-H磁滞回路响应磁芯从磁化的初始阶段到饱和状态阶段的过程。如果减弱电流,单元不会改变权利的初始状态,但也有以后不维持牵引状态的单元。

这大部分变换是剩馀磁通(出现在磁滞回线中)。该剩馀磁通现象在下一个单元融合时不反映为应变,导致磁芯的损失。每个周期的滞后损失在WH=mHdI式中分数是滞后环路中的网罗面积,磁芯是从初始电感量到峰值电感量,回到初始电感量的全过程。

电源频率为f时的能量损失,用PH=FmHdI计算可能更容易看到。但是,高频、中通流密度异常简单。每个电路都不存在影响磁芯损耗的参数,但这些参数通常很难分析。

例如线性电容器、pcb布局、驱动电压、脉冲宽度、阻抗状态、输入输出电压等。意外的是,磁芯损耗不受这些参数的影响相当严重。每个磁芯材料都具有导致损失的非线性电导率。

正因为是这种电导率,所以通过另外施加磁场,磁芯内部不会产生损失涡电流。在定磁通量中,磁芯的损耗几乎与频率的n次方成比例。

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其中指数n不会因磁芯材料和制造工艺而不同。一般的电感制造商不会通过磁芯损耗曲线来拟合经验近似式.。


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