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超低功率電感或者超高功率電感開關電源|穩(wěn)壓器的電感,并不象一般開關電源那樣容易選擇。目前常規(guī)的電感都是為一些主流設計所制造,并不能很好地滿足一些特殊設計。本文主要討論超低功率、超高效率Buck電路的電感選擇問題。典型應用實例就是小體積電池長時間供電設備。在這種電路中,讓工程師感到棘手的問題主要是電池容量(成本與體積)與Buck電路體積、效率之間的矛盾。為了減小開關電源的體積,最好選擇盡可能高的開關頻率。但是開關損耗以及輸出電感的損耗會隨著開關頻率的提高而增大,而且很有可能成為影響效率的主要因素,正是這些矛盾大大提高了電路設計的難度。
對工程師而言,鐵磁性元件(電感)可能是最早接觸的非線性器件。但是根據(jù)制造商提供的數(shù)據(jù),很難預測電感在高頻時的損耗。因為制造商通常只提供諸如開路電感、工作電流、飽和電流、直流電阻以及自激頻率等參數(shù)。對于大部分開關電源設計來說,這些參數(shù)已經足夠了,并且根據(jù)這些參數(shù)選擇合適的電感也非常容易。但是,對于超低電流、超高頻率開關電源來說,電感磁芯的非線性參數(shù)對頻率非常敏感,其次,頻率也決定了線圈損耗。
對于普通開關電源,相對于直流I2R損耗來說,磁芯損耗幾乎可以忽略不計。所以通常情況下,除了“自激頻率“這個與頻率有關的參數(shù)外,功率電感幾乎沒有其他與頻率相關的參數(shù)。但是,對于超低功率、超高頻率系統(tǒng)(電池供電設備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線圈損耗)通常會遠遠大于直流損耗。
線圈損耗包括直流I2R損耗和交流損耗。其中,交流損耗主要是由于趨膚效應和鄰近效應所導致。趨膚效應是指隨著頻率的提高移動的電荷越來越趨于導體表面流動,相當于減小了導體導電的橫截面積,提高了交流阻抗。比如:在2MHz頻率,導體導電深度(從導體表面垂直向下)大概只有0.00464厘米。這就導致電流密度降低到原來的1/e (大概0.37)。鄰近效應是指電流在電感相鄰導線所產生的磁場會互相影響,從而導致所謂的“擁擠電流”,也會提高交流阻抗。對于趨膚效應,可以通過多芯電線(同一根導線內含多根細導線)適度緩解。對于那些交流電流紋波遠小于直流電流的電路,多芯電線可以有效降低電感的總損耗。
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