Катушки индуктивности Bourns для преобразователей энергии

В статье подробно описаны основные параметры и конструктивные особенности катушек индуктивности. Приведены примеры выбора этих устройств для понижающего DC/DC-преобразователя, рассчитаны их потери, а также кратко описаны некоторые серии катушек индуктивности Bourns.

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время электронные изделия потребляют все больше электроэнергии. При этом увеличиваются требования по уменьшению их размеров, что влечет за собой увеличение рабочей частоты преобразователей энергии. Катушки индуктивности, одни из главных компонентов регуляторов напряжения, используются практически во всех источниках питания, где бы они ни применялись: в автомобильной и потребительской электронике, а также в промышленных приложениях. Поскольку катушки индуктивности, изготовленные по традиционной технологии, могут не отвечать всем требованиям, предъявляемым к современным изделиям, компания Bourns создала несколько серий этих устройств, у которых постоянный ток достигает 60 А.

Несмотря на огромное число катушек индуктивности, представленных на современном рынке, их выбор для преобразователя мощности следующего поколения — не всегда простая задача для разработчика. Для правильного выбора катушки индуктивности необходимо определить ее параметры: электромагнитное излучение, номинальный ток, материал сердечника и потери в нем, рабочую температуру и ток насыщения. Мы рассмотрим и проиллюстрируем примерами роль каждого из этих параметров при выборе наилучшего варианта катушки индуктивности, опишем особенности использования и преимущества устройств Bourns — их размеры, параметры, простоту использования — для различных приложений.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Кратко опишем физические закономерности работы катушки индуктивности. Хотя многим они известны еще с институтской скамьи, напомним их, т.к. они потребуются нам для дальнейших рассуждений. Итак, катушка индуктивности — компонент электрической цепи, запасающий энергию в магнитном поле сердечника.

Протекающий через индуктивность ток порождает магнитный поток. Пока ключ открыт, и индуктивность подключена к сети, ток через индуктивность нарастает. Когда индуктивность отключается от сети, она становится источником тока; соответственно, магнитный поток в сердечнике убывает. Если ток через индуктивность не уменьшается до нуля, считается, что схема работает в режиме непрерывного тока. Напряжение на индуктивности изменяется одновременно с изменением тока. При этом ток и напряжение не совпадают по фазе — напряжение на 180° опережает ток.

ЭКРАНИРОВАНИЕ
Перед выбором индуктора необходимо расположить на печатной плате чувствительные к помехам компоненты и цепи. От решения этой задачи зависит связь с другими неэкранированными компонентами и контурами. И, напротив, неэкранированные устройства характеризуются сильной магнитной взаимосвязью с другими компонентами и контурами схемы.

Компания Bourns еще в 2011 г. разработала серию полуэкранированных катушек индуктивности, в которых эпоксидная смола использовалась в качестве экрана.

Экранированные катушки индуктивности имеют большие размер и стоимость, характеризуется довольно быстрым уменьшением индуктивности при увеличении тока. У них также наименьший ток насыщения. Неэкранированные индуктивности дешевле, у них меньше габариты и выше ток насыщения. Однако все эти преимущества в ряде случаев могут не иметь значения, когда на первый план выходит увеличение помехозащищенности. Полуэкранированные компоненты представляют собой компромиссное решение между упомянутыми выше вариантами.

Альтернативным вариантом могут стать катушки индуктивности с тороидальным сердечником. Такой индуктор по своим характеристикам схож с экранированным, а воздушный зазор в сердечнике обеспечивает высокое значение тока.

НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
При протекании через индуктивность переменного или пульсирующего тока в ней возникают потери. В установившемся режиме номинальный постоянный ток приравнивается к среднеквадратичному току Irms, вызывающему рост температуры дросселя на 20-40°С. По сути, это ток, при котором происходит такое же рассеивание мощности на катушке индуктивности. Такое определение верно, если пульсации тока невелики и потерями в сердечнике можно пренебречь. Иногда Irms индуктора классифицируют как среднеквадратичный или выходной ток преобразователя с индуктивностью.

материал сердечника и потери

Потери в сердечнике зависят от выбора материала сердечника и площади его поперечного сечения в той же мере, как и от величины пульсирующего тока и от частоты коммутации. Потери в катушке индуктивности определяются потерями в сердечнике и в обмотке. Потери в сердечнике определяются как разница между энергией, запасенной в сердечнике во время подключения ее к сети, и энергией, которую отдал сердечник в цепь при его отключении от сети. В таблице 2 указаны потери в сердечнике в зависимости от материала. Общие потери в катушке индуктивности определяются суммированием потерь в сердечнике и в обмотке. Последние определяются выражением P = I2R.

ТЕМПЕРАТУРА И НАСЫЩЕНИЕ СЕРДЕЧНИКА
При выборе диапазона рабочих температур следует учитывать, что он в общем случае не совпадает с диапазоном окружающих температур, при которых работает индуктор. Например, если диапазон рабочих температур катушки индуктивности заявлен в пределах -40…125°С, а ее саморазогрев составит 40°С, то диапазон температуры окружающей среды должен изменяться в пределах -40…85°С. Обратите внимание, что изменяется только верхний предел температур, нижний не меняется.

Таким образом, при токе насыщения сердечник катушки индуктивности не находится в состоянии насыщения, когда его индуктивность приближается к нулю и становится равной индуктивности дросселя с немагнитным сердечником. Разработчик должен рассматривать эту величину как максимальный пиковый ток преобразователя с индуктивностью. Обратим внимание еще на одно обстоятельство: если через катушку индуктивности достаточно долго протекает большой ток, то и сердечник, и обмотка могут повредиться из-за перегрева. В большинстве случаев именно перегрев является ограничивающим фактором при эксплуатации.

ПРИМЕР ВЫБОРА КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Рассмотрим процесс выбора катушки индуктивности для понижающего DC/DC-преобразователя. Рабочие параметры преобразователя следующие:

входное напряжение Vin = 8-12 В;
выходное напряжение VO = 5 В;
выходной ток IO = 0,5-2 A;
рабочая частота: fswitch = 250 кГц.
Преобразователь работает в режим непрерывного тока, т.е. ток в дросселе не спадает до нуля. Приведенной информации достаточно для выбора индуктора. Рассмотрим шаг за шагом процесс выбора.

1. Рассчитываем период.

2. Определяем минимальный коэффициент заполнения.

3. Время открытого состояния ключа S.

4. Ток пульсации индуктивности в непрерывном режиме обычно не превышает 30% от максимального выходного тока.

5. Падение напряжения на катушке индуктивности является разницей между максимальным входным и выходным напряжениями.

6. Минимальное значение индуктивности.

7. Учитывая возможное отклонение 20% от номинального значения и уменьшение индуктивности на 10-35% при пиковом токе. Выбираем из ряда номинальных значений катушку с индуктивностью 33 мкГн. Это минимальное значение для обеспечения режима непрерывного тока.

8. Величину пикового тока найдем из соотношения.

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ
Всю приведенную в этой части информацию можно найти в каталогах компании. Bourns предлагает широкий выбор катушек индуктивности. Их номинальная величина находится в пределах 0,1 мкГн.15 мГн, а номинальный ток изменяется в диапазоне 60 мА. 43 А (СКВ); при этом ток насыщения достигает 65 А. Чтобы выбрать из этого множества требуемую катушку, необходимо последовательно пройти несколько этапов. Ниже приведен метод выбора, предлагаемый Bourns.

1. Выберите компоненты, отвечающие требованию по максимальному току.

2. Из них отберите индукторы с необходимым значением индуктивности.

3. Проведите отбор по требуемому сопротивлению обмотки (DC resistance).

4. Чтобы в еще большей степени сузить диапазон поиска, выберите катушку индуктивности, подходящую по конструкции или по типу сердечника.

5. Выберите наименование катушки по каталогу.

6. При необходимости используйте таблицу перекрестных ссылок с новейшей продукцией.

ТЕНДЕНЦИИ НОВЫХ ПРОДУКТОВ BOURNS
Bourns более 40 лет специализируется на катушках индуктивности и электромагнитных компонентах, предлагая изделия, отвечающие требованиям сегодняшнего дня. Такие приложения как сотовые телефоны, планшеты, портативные компьютеры, промышленное оборудование, электроника для развлечений предъявляют новые требования к индукторам, их размерам и характеристикам. Ниже приведено краткое описание нескольких семейств катушек индуктивности.

Серия SDR. Неэкрани-рованные силовые катушки индуктивности для поверхностного монтажа. Номинальные значения индуктивности находятся в пределах 0,68 мкГн…15 мГн, а величина тока составляет 0,06-16 А. Катушки индуктивности выпускаются в корпусах различной формы — круглые, овальные, прямоугольные; минимальная высота корпуса: 2,2 мм.

Серия SRN. Полуэкра-нированные силовые катушки индуктивности для поверхностного монтажа. Катушки залиты магнитной эпоксидной смолой, играющей роль экрана. Их электромагнитное излучение заметно ниже, чем у неэкранированных индукторов. Они дешевле и занимают меньше места на плате по сравнению с экранированными индукторами. Минимальная высота катушки индуктивности: 1 мм. Диапазон номинальных значение индуктивности серии: 0,5470 мкГн. Максимальный ток достигает 10 А.

Серия SRR. Экранированные силовые катушки индуктивности для поверхностного монтажа в круглых и прямоугольных корпусах. Диапазон номинальных значений индуктивности этой серии: 0,4715000 мкГн. Токи катушек индуктивности: 0,07-20 А. Устройства этой серии хорошо подходят для портативной техники, ЖК-дисплеев, плееров и т.д. Катушки индуктивности соответствуют требованиям директивы RoHS.

Серия SRU. Новая серия экранированных катушек индуктивности. Их форма близка к округлой, что упрощает монтаж, а минимальная высота корпуса достигает 0,9 мм. Уникальная особенность этих катушек индуктивности состоит в том, что ряд компонентов этой серии имеет одинаковые размеры для монтажа на плату, что позволяет заменять устройства без доработок платы. Восьмиугольная форма корпуса позволяет без ошибок осуществлять монтаж, а также удобна для транспортировки — уменьшает возможность вращения компонентов в ленточной упаковке. Заметим, что экранированные катушки индуктивности большой мощности становятся все более популярными в различных приложениях.

Серия SRP. Поскольку катушек индуктивности этого типа предназначены для цепей с частотой до 5 МГц, их обмотка выполнена не круглой, а плоской проволокой. Такая обмотка обеспечивает компактность устройств; они имеют плоскую форму, благодаря чему их можно устанавливать друг на друга. Обмотка из плоской проволоки позволяет использовать 95% объема, что явно превышает показатель использования объема в 70% при намотке круглой проволокой. Кроме того, плоская проволока имеет большую площадь поверхности, что уменьшает сопротивление переменному току. Особенно заметно это проявляется на высокой частоте, когда начинает сказываться поверхностный эффект, под действием которого ток вытесняется из внутренней области проводника и распределяется по его поверхности.

Приведем пример. При одинаковой площади сечения 0,64 мм2 площадь поверхности обмотки из плоского провода составит 4,64 мм2, а из круглого — 2,83 мм2. Прессованный сердечник катушки индуктивности также позволяет максимально эффективно использовать его объем и уменьшить размеры. Пространство внутри сердечника заполнено магнитным компаундом, который увеличивает индуктивность и одновременно служит экраном.

В настоящее время компания готовится внедрить более двух дюжин новых серий силовых катушек индуктивности для поверхностного монтажа. Среди них многие специально разработаны для автомобильной электроники. Они будут производиться в экранированном и неэкранированном исполнениях и отвечают требованиям стандарта AEC-Q200.

ЗАКАЗНЫЕ РЕШЕНИЯ BOURNS
Чтобы дополнить свой более чем 40-летний опыт производства и разработки катушек индуктивности, компания Bourns приобрела подразделение электромагнитных компонентов компании J.W. Miller, за плечами которой уже 70 лет лидерства на рынке катушек индуктивности. Имеющийся у Bourns опыт позволяет разрабатывать и производить устройства по требованию заказчика. При этом весь процесс занимает всего 6-8 недель. Высокая квалификация инженеров компании позволяет разрабатывать катушки индуктивности, отвечающие всем требованиям заказчика, в т.ч. по току, индуктивности, типу сердечника и корпуса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Чтобы соответствовать современным требованиям рынка портативной электроники, необходимо повышать надежность и уменьшать размеры катушек индуктивности. Понимание физических принципов работы позволяет правильно выбрать силовой индуктор, а не руководствоваться догадками. Репутация компании Bourns не оставляет сомнения в том, что ее продукция отвечает всем требованиям, среди которых — гибкость модификаций, стандартные монтажные размеры, компактность и т.д. Специалисты компании смогут найти оптимальные решения для любого заказчика.

TRIAL NEWS