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超低功率電感或者超高功率電感開關(guān)電源|穩(wěn)壓器的電感,并不象一般開關(guān)電源那樣容易選擇。目前常規(guī)的電感都是為一些主流設(shè)計(jì)所制造,并不能很好地滿足一些特殊設(shè)計(jì)。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(yīng)用實(shí)例就是小體積電池長時(shí)間供電設(shè)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(guān)電源的體積,最好選擇盡可能高的開關(guān)頻率。但是開關(guān)損耗以及輸出電感的損耗會(huì)隨著開關(guān)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(shè)計(jì)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(yù)測電感在高頻時(shí)的損耗。因?yàn)橹圃焐掏ǔV惶峁┲T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(guān)電源設(shè)計(jì)來說,這些參數(shù)已經(jīng)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(guān)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(guān)電源,相對于直流I2R損耗來說,磁芯損耗幾乎可以忽略不計(jì)。所以通常情況下,除了“自激頻率“這個(gè)與頻率有關(guān)的參數(shù)外,功率電感幾乎沒有其他與頻率相關(guān)的參數(shù)。但是,對于超低功率、超高頻率系統(tǒng)(電池供電設(shè)備),這些高頻損耗(磁芯損耗和線圈損耗)通常會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(yīng)和鄰近效應(yīng)所導(dǎo)致。趨膚效應(yīng)是指隨著頻率的提高移動(dòng)的電荷越來越趨于導(dǎo)體表面流動(dòng),相當(dāng)于減小了導(dǎo)體導(dǎo)電的橫截面積,提高了交流阻抗。比如:在2MHz頻率,導(dǎo)體導(dǎo)電深度(從導(dǎo)體表面垂直向下)大概只有0.00464厘米。這就導(dǎo)致電流密度降低到原來的1/e (大概0.37)。鄰近效應(yīng)是指電流在電感相鄰導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場會(huì)互相影響,從而導(dǎo)致所謂的“擁擠電流”,也會(huì)提高交流阻抗。對于趨膚效應(yīng),可以通過多芯電線(同一根導(dǎo)線內(nèi)含多根細(xì)導(dǎo)線)適度緩解。對于那些交流電流紋波遠(yuǎn)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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