元件级的能源效率设计

作者：Coilcraft技术市场总监Len Crane

DC-DC转换器电源路径中一个较重要的元件就是电感器。当为了较佳效率而选择一个电感器时，重要的是采用具有磁芯和绕组损耗机制清晰画面的工具。

电感器损耗

这些通常列出在电感器数据手册中的规格是电感、饱和电流和DCR。显然，DCR是较重要和较直接的电感器的功率损耗将耗散多少功率的测量，loss P_L = I² × DCR。使用DCR这种方式可以直接确定转换器的电感器的总效率会受到的影响。如果效率是选择过程关注的唯一参数，就可以只选择一个低DCR电感器，从而达到所需的I²R损耗。不过，为效率增益选择的低DCR通常需要在效率、饱和电流、成本和实际尺寸之间进行妥协。

我们可以来看看实际尺寸和DCR之间的折中。这可能比较直截了当，较低的DCR通常需要较大的元件。另一方面，可以使用额外的磁芯材料，有助于实现更低的匝数，从而有较低的DCR。选择额外的材料可能意味着溢价。

另一个可能的折中是更低的DCR，并以更低额定饱和电流的代价保持电感器相同的实际尺寸。在许多转换器的操作中少量的电感器饱可以容许；不过，这可能导致无法预料的后果。根据电感器操作V= L（di/dt）的基本性质，如果驱动的电感器进入饱和状态，有效电感就会降低，电流（di/dt）斜率增加，造成较高的纹波电流，以及较高的导通损耗。

由较高的峰-峰纹波电流所引起的这些损耗通常是由频变、ac损耗机制，而不是DCR。有几种ac损耗机制需要考虑，包括绕组损耗和磁芯损耗。绕组损耗可能包括邻近效应，以及肌肤效应，而肌肤效应通常需要更大的关注，也当然更容易预测。根据电线粗细和开关频率肌肤效应可以预测。邻近效应取决于绕组配置，更难以建模。幸运的是，肌肤效应可以胜任各种应用的ac绕组损耗的预测器。

当边缘磁通与绕组或其他邻近导体相交时，超出磁芯的磁损耗可能包括气隙区的涡流损耗。然而，大部分磁损耗通常是由一般称为Steinmetz方程捕捉的：磁芯损耗= k×B^x×f^y，其中k、x和y是具体磁芯材料的特性。这个方程的结果是一般描述为“磁芯损耗”的损耗。值得指出的是，Steinmetz系数是由铁氧体和铁粉磁芯供应商根据正弦波测量值凭经验得出的，因此不能代表DC-DC转换器中磁芯性能的确切模型。对不同的波形，有一些建议的改善计算的模型，这个模型仍然是一个有价值的工具，它是大多数实际应用的磁芯损耗的极佳的预测器，这种形式的系数适用于各种磁芯材料。

假设考虑参数的数目，而这些参数具有相互依赖的性质，以为一次计算就能确定较理想的电感器是不现实的。选择正确元件的较佳工具是有助于用户容易观察并比较选择。

例子1——负载点降压式转换器

例如，假设以下16.5瓦特降压式转换器设计需要。

Vin = 6 - 16Vdc
Iout = 5 A
Vout = 3.3Vdc
F = 500kHz

第一步是根据V= L（di/dt）的有关变化计算电感值，如图1所示。

图1. 典型降压式转换器的电感计算。

这个方程中的电压值是由设计要求确定的，只要选择了一个开关频率即可确定t_on。唯一的灵活的方式和设计人员必须在这一计算中做的典型的唯一选择是容许多少纹波电流。这个决定将取决于输出滤波电容器的所需的纹波电压和类型，而且将以耦合方式影响电感器。首先，峰值电流决定电感器的饱和额定值，而峰-峰纹波对ac电感器损耗有一个直接影响。例如，我们选择允许峰-峰纹波电流为电感计算中输出电流的40%，解在V_in（min）和t_on（max）的较差条件下V-T结合：

solve for the worst case V-T combination at V_in（min） and t_on（max）:

L =（V_in –（V_out + V_sat）） × t_on/（DI）
L =（16 V –（3.3 V + 0.7 Vv）） 0.5 × 10^-6/（2A） = 3 × 10^-6 H
L = 3mH

平均电流与负载电流相同，均为5A，而纹波电流峰值为6A（负载电流加上一半峰-峰纹波）。搜索Coilcraft功率电感器发现者Power inductor Finder，如图2所示，结果选择采用DCR范围为4.1mΩ至12.6mΩ。

图2. 电感器的选择

使用5A负载电流和DCR值非常容易计算每个选择的电感器的功耗。

如果选择是在DCR损耗基础上严格执行的，获得的元件似乎是非常清楚，但是这没有考虑ac损耗，该损耗可以通过Coilcraft磁芯和绕组损耗计算器来分析。如上所述，这个工具采用平均电流计算DCR损耗，而且还使用频率和纹波电流来计算频变磁芯损耗和由于肌肤效应产生的绕组损耗。

图3中提供了这些结果的新的信息。虽然电感器3和4有较高的DCR，却仍然有较高的功率损耗，电感器1的较低DCR的元件不再是较有效的。与电感器1相比，只是从DCR来看并不那么明显的是电感器2有一个卓越的、低损耗磁芯。虽然电感器1需要根据DCR加以选择，但它将不是较低损耗、较有效的选择。增加的ac损耗信息有助于说明为实现较高效率的较佳电感器选择。

图3. 来自Coilcraft电感器磁芯和绕组损耗计算器的输出

例子2——白光LED驱动器

假定另一个降压型稳压器，这次驱动的是一个白光LED，驱动电流为350mA，正向电压为3.4V。假设开关频率为1MHz，我们来计算22mH电感的标准值，以实现40%纹波电流和一系列电感器选择。

Coilcraft磁芯和绕组损耗计算器的结果如图4所示。在这种情况下，磁芯损耗取决于DCR和预期元件尺寸。较适用于应用的尺寸与性能的折中留给用户去判断。

图4. LED驱动器电感器的磁芯和绕组损耗

这些实例显示，考虑频变磁芯和绕组损耗信息对做出正确的电感器选择是必要的，它可以利用目前市场上的在线工具完成。有了这种并排的比较，用户可以选择较有效的功率电感器，而且可以容易地对各种选择的优点做出迅速的比较。用户可以容易地比较成本和尺寸及性能。

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