Jak interpretować parametry cewek indukcyjnych mocy w przetwornikach DC/DC?

Ekranowane czy nieekranowane?

Cewki nieekranowane posiadają otwarty obwód magnetyczny. Strumień magnetyczny indukowany w rdzeniu przez prąd przepływający przez uzwojenie wychodzi z rdzenia i drogą powietrzną dociera na drugą stronę rdzenia. W ten sposób następuje zamknięcie drogi strumienia magnetycznego. Na zewnątrz rdzenia strumień magnetyczny oddziałuje na znajdujące się w pobliżu obwody. Cewka nieekranowana tej samej wielkości co ekranowana ma większy prąd nasycenia i jest tańsza.

Dzięki budowie cewki ekranowanej strumień magnetyczny nie może wyjść poza rdzeń, przez co strumień nie oddziałuje na wrażliwe elementy w pobliżu. Cewka ekranowana tej samej wielkości co nieekranowana ma mniejszy prąd nasycenia i jest droższa.

Ostatnie osiągnięcia techniki pozwalają produkować cewki kompozytowe. Rdzeń cewki jest wykonany ze proszkowanego metalu (żelaza, stopu żelaza lub mieszanki żelaza z innymi metalami), o rozmiarze ziaren od 4 do 10 um. Cewki podłączone pod podstawek umieszcza się na stalowej formie, która zostaje zasypana sproszkowanym metalem – proszek dokładnie otacza cewkę. Następnie proszek zostaje sprasowany od góry i dołu siłą nacisku powyżej 600 MPa, tworząc wokół cewki rdzeń magnetyczny o dużej gęstości. Cząstki metalu w rdzeniu są otoczone metalem niemagnetycznym i nieprzewodzącym (tlenkiem krzemu, spoiwem organicznym), przez co powstaje rozproszona „przerwa wypełniona powietrzem”. Cewki wytwarzane tą metodą są ekranowane i charakteryzują się doskonałymi parametrami, w szczególności dużym prądem nasycenia.

Cewki ekranowane są droższe i posiadają mniejszy prąd nasycenia (w porównaniu do tego samego rozmiaru fizycznego, materiału, z którego wykonany jest rdzeń i indukcyjności). Ich zaletą jest natomiast możliwość znaczącego ograniczenia zakłóceń elektromagnetycznych. Cewki ekranowane warto stosować niemal w każdym przypadku, aby zapobiec problemom z zakłóceniami elektromagnetycznymi. Zaleta ta jest szczególnie istotna w przypadku przetworników o dużej częstotliwości przełączania.

Indukcyjność i szeregowa częstotliwość rezonansowa (SRF)

< Indukcyjność ma zwykle niewielką wartość skuteczną rzędu 0,1 V przy częstotliwości 100 kHz – bez kompensacji dla prądu stałego. Typowa produkcyjna tolerancja indukcyjności to ±20%. Skrót SRF oznacza szeregową częstotliwość rezonansową, tj. wartość, przy której indukcyjność uzwojenia cewki wpada w naturalny rezonans przy rozproszonym oporze pojemnościowym uzwojenia.

Praktyczna zasada mówi, aby częstotliwość przełączania była dziesięć razy większa niż SRF.

Prąd znamionowy i prąd nasycenia

Prąd znamionowym to skuteczna wartość prądu stałego (lub przemiennego o niskiej częstotliwości), który powoduje przyrost temperatury, zwykle 40 °C.

Producenci stosują różne płytki PCD do testów, co zważywszy na brak szczegółowych informacji, utrudnia porównanie cewek różnych producentów. Przyrost temperatury w znacznym stopniu zależy od wielu czynników, w tym sposobu rozmieszczenia elementów na płytce PCB, rozmiaru ścieżek, położenia w otoczeniu innych elementów itp. Dlatego sprawdzenie przyrostu temperatury w produkcie końcowym to konieczność.

Prąd nasycenia definiuje się jako prąd biasu przy prądzie stałym, który powoduje określony spadek indukcyjności, zwykle o 10%, 20% lub 30%.
Różni producenci stosują różne spadki indukcyjności w celu wyznaczenia prądu nasycenia, wydłużając czas porównywania cewek.

Zakres temperatury otoczenia i maksymalna temperatura cewki

Wiele źródeł podaje różne miejsca, w których temperatura otoczenia została wyznaczona. W kartach katalogowych brak jasno wskazanej lokalizacji dokonania pomiaru temperatury otoczenia. Aby uzyskać więcej informacji, zachęcamy do zapoznania się z artykułem pt. Czym jest temperatura otoczenia i dlaczego ma znaczenie? lub z charakterystyką termiczną pakietów półprzewodnikowych i obwodów scalonych.

Maksymalna temperatura cewki jest bardziej użyteczną informacją, ponieważ pozwala określić temperaturę cewki w produkcie końcowym. Temperatura cewki nie powinna przekraczać wartości określonej dla najbardziej niekorzystnych możliwych warunków roboczych. Na temperaturę cewki wpływa budowa obwodu, rozmieszczenie elementów, rozmiar i grubość ścieżek na płytce PCB, przepływ powietrza i inne czynniki odziaływujące na wydajność chłodzenia.

Rezystancja przy prądzie stałym (DCR)

Rezystancję cewki przy prądzie stałym mierzy się w temperaturze pokojowej równej 25 °C. Rezystancja przy prądzie stałym jest zależna od temperatury. Uzwojenie zwykle wykonane jest z miedzi. Temperaturowy współczynnik rezystancji miedzi wynosi około +0,4% na każdy °C. Choć wydaje się, że to niedużo, to dla temperatury cewki wynoszącej 125 °C wzrost rezystancji może być znaczący, bo (125 – 25) * 0,4% = 40%.
Rezystancja wzrasta także wraz z częstotliwością na skutek efektu naskórkowości. W kartach katalogowych nie ma informacji o rezystancji dla prądu przemiennego.

Typowa budowa przetwornika DC/DC opiera się na obliczonej międzyszczytowej składowej zmiennej prądu tętniącego cewki, równej od 20% do 40% wyjściowego prądu stałego. Składowa zmienna prądu tętniącego ma przebieg trójkątny, a dla 50% cyklu pracy wartość skuteczna wynosi ok. 0,577 Ip-p. Jak widać na rys. 7, dla częstotliwości 200 Hz mamy Rac/Rdc = 1 i całkowita rezystancja przy tej częstotliwości wynosi Rcał. = Rdc + Rac = 2Rdc. Strata mocy na uzwojeniu wynosi P = Pdc + Pac, Pdc = Idc2*Rdc,
Dla Iac(p-p)=0,3 Idc, Pac = Iac_rms2*Rac=(0,575 * 0,3 * Idc)2 * 2Rdc=0,06 Idc2*Rdc=0,06 Pdc.
Dla 1 MHz Rcał. = Rdc + 2,5 Rdc = 3,5 Rdc i Pac = 0,1 Pdc.

Rezystancja przy prądzie przemiennym zwiększa straty mocy na uzwojeniu. Dlatego zalecane jest sprawdzenie u producenta charakterystyki strat w funkcji częstotliwości.

Kompilacja

Cewkę do przetwornika DC/DC należy odpowiednio dobrać, aby:
• cewka nie ulegała przegrzaniu nawet w najmniej korzystnych warunkach roboczych
• nie powodować spadku indukcyjności poniżej punktu stabilności przetwornika
• uniknąć dużego nasycenia
• zachować wymagane wymiary przetwornika
• zapewnić najwyższą sprawność przetwornika.

Na wartość indukcyjności wpływ mają także inne parametry przetworników, jak tętnienie napięcia wyjściowego czy odpowiedź czasowa.

Na wartość indukcyjności wpływ mają także inne parametry przetworników, jak tętnienie napięcia wyjściowego czy odpowiedź czasowa.

Więcej informacji:

• 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/

Więcej informacji na temat oferty cewek indukcyjnych można znaleźć na naszych stronach lub wysyłając wiadomość na adres info@soselectronic.sk.