Jak porozumět parametrům výkonových cívek pro DC/DC měniče

Stíněná nebo nestíněná?

Nestíněná cívka má otevřený magnetický obvod. Magnetický tok, indukovaný v jádru proudem procházejícím vinutí, vystupuje z jádra a šíří se vzduchem na druhou stranu jádra, kde uzavírá magnetický obvod. Magnetický tok mimo jádro ovlivňuje blízké obvody. Nestíněná cívka se stejnými rozměry jako stíněná má vyšší saturační proud a nižší cenu.

Stíněná cívka je zkonstruována tak, že magnetický tok nikdy neopustí jádro a zabraňuje, aby tok ovlivňoval citlivé komponenty, které se mohou nacházet v blízkosti cívky. Stíněná cívka se stejnými rozměry jako nestíněná má nižší saturační proud a vyšší cenu.

Nedávný pokrok v technologii umožňuje výrobu kompozitních cívek. Jádro je vyrobeno z kovového prášku (železo, slitiny železa nebo směs železa a jiných kovů) s částečkami o velikosti 4 až 10um. Cívka je umístěna do ocelové formy a naplněna práškovým kovem tak, aby prášek zcela obklopil cívku. Prášek je poté stlačen shora a zdola tlakem okolo 600MPa, tím vytvoří husté magnetické jádro kolem cívky. Částečky kovu uvnitř jádra jsou obklopeny nemagnetickým a nevodivým materiálem (oxidy křemíku, organické pojivo), které vytváří distribuovanou "vzduchovou mezeru". Takto vyrobené cívky jsou stíněné a mají excelentní parametry, zvláště vysoký saturační proud.

Stíněné cívky jsou dražší a mají nižší saturační proud (pro stejnou velikost, materiál jádra a indukčnost), ovšem výrazně redukují elektromagnetickou interferenci (EMI). Téměř vždy stojí za to použít stíněnou cívku, která pomůže zabránit EMI problémům. Obzvláště nutné je to v případě, kdy měnič používá vyšší spínací frekvence.

Indukčnost a vlastní rezonanční frekvence (SRF)

Indukčnost je typicky měřena malým signálem (0,1Vrms) bez stejnosměrné složky na frekvenci 100kHz. Typická výrobní tolerance indukčnosti je ± 20%. SRF je frekvence, při které indukčnost vinutí cívky přirozeně rezonuje s parazitní kapacitou vinutí. Dobrou praktickou zásadou je používat spínací frekvenci 10x menší než je SRF.

Jmenovitý a saturační proud

Jmenovitý proud je efektivní hodnota stejnosměrného proudu (nebo nízkofrekvenčního střídavého proudu), který způsobí nárůst teploty cívky o definovanou hodnotu, typicky 40°C.

Výrobci používají různé testovací PCB a neposkytují o nich detailní informace, což činí srovnání cívek od různých výrobců obtížným. Nárůst teploty je velmi závislý na mnoha faktorech, jako jsou pájecí plošky na PCB, tloušťka čar, blízkost jiných komponent atd. Nárůst teploty by měl být ověřen v konečném produktu.
Saturační proud je definován jako stejnosměrný proud, který způsobí specifikovaný pokles indukčnosti, obvykle pokles o 10, 20 nebo 30%.
Různí výrobci používají různý pokles indukčnosti pro definování saturačního proudu, což činí srovnání cívek časově náročnějším.

Rozsah teplot okolí a maximální teplota cívky

Různé zdroje uvádějí různá místa pro určení teploty okolí. Datasheet nedefinuje jasně, kde je teplota okolí měřena. Pro více informací si prosím prohlédněte článek What is ambient temperature, anyway, and why does it matter? nebo dokument Semiconductor and IC Package Thermal Metrics.

Maximální teplota cívky poskytuje užitečnější informaci, protože umožňuje ověřit její teplotu ve finálním produktu. Teplota cívky by neměla překročit definovanou hodnotu při nejtěžších pracovních podmínkách. Teplotu cívky ovlivňuje návrh obvodu, umístění součástek, šířka a tloušťka spojů na plošném spoji, proudění vzduchu a další vlastnosti chlazení.

Stejnosměrný odpor (DCR)

Je to stejnosměrný odpor cívky, měřený při pokojové teplotě 25°C. DCR je teplotně závislý. Typické vinutí je vyrobeno z měděného drátu. Teplotní koeficient odporu mědi je přibližně +0.4% na °C. Nevypadá to hodně, ale při teplotě cívky 125°C to znamená nárůst odporu o (125-25)*0,4%=40%.
Odpor rovněž roste s frekvencí kvůli skin efektu. Odpor při různých frekvencích (ACR) není uváděn v datasheetu.

Typický návrh DC/DC měniče počítá se zvlněním proudu přes cívku 20 až 40% (špička-špička) z výstupního stejnosměrného proudu. Zvlnění má trojúhelníkový průběh a nechť je střída =50%. RMS hodnota je potom přibližně 0,577Ip-p. Jak vidíte z obrázku 9 pro frekvenci 200kHz je Rac/Rdc=1, výsledný odpor na této frekvenci je tedy Rtot=Rdc+Rac=2Rdc. Výkonová ztráta vinutí bude P = Pdc + Pac Pdc=Idc^2*Rdc.
Pro Iac(p-p)=0,3Idc Pac=Iac_rms^2*Rac=(0.575*0.3*Idc)^2*2Rdc=0,06Idc^2*Rdc=0.06Pdc.
Pro frekvenci 1MHz je Rtot=Rdc+2.5Rdc=3.5Rdc a Pac=0.1Pdc.

AC odpor zvyšuje ztráty ve vinutí, je doporučeno vyžádat si od výrobce závislost ztrát na frekvenci.

Jak to dát vše dohromady

Cívka pro DC/DC měnič má být vybrána tak, aby:
• se nepřehřála ani při nejhorších pracovních podmínkách
• indukčnost neklesla pod hodnotu, zaručující stabilitu měniče
• nedocházelo k tvrdé saturaci
• měl měnič požadované rozměry
• měl měnič co nejvyšší účinnost

Na požadovanou indukčnost mají také vliv další parametry měniče, jako jsou zvlnění výstupního napětí a odezva na skokovou změnu zátěže.

Pro rychlé posouzení, zda je cívka vhodná pro konkrétní aplikaci, poskytují někteří výrobci jako Vishay, Panasonic a Coilcraft webový SW.

Vyzkoušejte si například:

• http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/
• http://www.coilcraft.com/apps/power_tools/power/
• https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/chr-vw/view03/
• https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/pcc-sim/

Pro další informace o cívkách v naší nabídce si prosím prohlédněte naše web stránky nebo nás kontaktujte na info@soselectronic.cz.