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如何避免電源設(shè)計中的電感飽和

發(fā)布時間:2021-12-24 來源:芯源系統(tǒng) 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】電感是DC / DC電源中的重要組成部分。選擇電感需要考慮很多因素,例如電感值、DCR、尺寸和飽和電流。電感的飽和特性常會被人們誤解而帶來麻煩。本文將探討電感如何達(dá)到飽和、飽和如何影響電路,以及檢測電感飽和的方法。

 

電感飽和的原因

 

請參見圖1和下面的電感飽和步驟,來了解電感是如何達(dá)到飽和的:


●     當(dāng)電流通過圖1中的線圈時,線圈會產(chǎn)生磁場;

●     磁芯被磁場磁化,其內(nèi)部磁疇會緩慢旋轉(zhuǎn)。

●     當(dāng)磁芯被完全磁化后,磁疇的方向與磁場一致。這時,即使添加外部磁場,磁芯內(nèi)也沒有旋轉(zhuǎn)的磁疇。此時,電感達(dá)到飽和。


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圖1:電感飽和示意圖


圖2從另一個角度表達(dá)了電感的飽和,并通過方程式顯示了系統(tǒng)的磁通密度(B)和磁場強(qiáng)度(H)如何影響電感。

 

當(dāng)磁通密度達(dá)到BM時,磁通密度不再隨磁場強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加,此時電感達(dá)到飽和。

 

再看電感和磁導(dǎo)率(μ)之間的關(guān)系。當(dāng)電感飽和后,磁導(dǎo)率將大幅減小,從而導(dǎo)致電感大幅降低,并失去抑制電流的能力。


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圖2:磁化曲線和公式


判斷電感飽和的技巧:

 

在實(shí)際應(yīng)用中判斷電感飽和的方法分為兩大類:理論計算和實(shí)驗(yàn)測試。圖3總結(jié)了這些方法。


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圖3:判斷電感飽和的方法


理論計算需要計算最大磁通密度或最大電感電流,而實(shí)驗(yàn)測試則主要集中在觀察電感電流波形和其他的初步判斷方法上。具體請看下面的詳細(xì)描述。

 

方法1:計算磁通密度

 

這種方法適用于采用磁芯來設(shè)計電感的場景。磁芯參數(shù)包括磁路長度(lE)和有效面積(AE)。磁芯類型還決定了相應(yīng)的磁材等級。磁性材料也必須對磁芯損耗和飽和磁通密度進(jìn)行相應(yīng)的規(guī)定(參見圖4)。


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圖4:電感參數(shù)和特性


有了這些資料,我們就可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計方案計算出最大磁通密度。圖5顯示了最大磁通密度的計算公式。


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圖5: 磁通密度計算公式


實(shí)際中的計算可以簡化,用μI代替μR。當(dāng)與磁性材料的飽和磁通密度進(jìn)行比較時,就可以判斷設(shè)計的電感是否存在飽和風(fēng)險。

 

方法2:計算最大電感電流

 

當(dāng)采用現(xiàn)有電感來設(shè)計電路時,可以采用這種方法。不同電路拓?fù)湎?,電感電流的計算公式也不同?nbsp;

 

以開關(guān)模式變換器MP2145為例,可以根據(jù)以下公式計算電感電流,并將計算結(jié)果與電感規(guī)格進(jìn)行比較,以判斷電感是否會達(dá)到飽和(見圖6)。


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圖6:以 MP2145為例計算最大電感電流


方法3:通過電感電流波形判斷電感是否飽和

 

此方法是工程師可用的最常見且最實(shí)用的方法。

 

我們采用MPSmart仿真工具,以MP2145為例來說明。從仿真波形中可以看到,當(dāng)電感不飽和時,電感電流是具有一定斜率的三角波。當(dāng)電感飽和時,電感電流波形會產(chǎn)生明顯失真,這種失真是由飽和后電感降低引起的(請參見圖7)。


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圖7:MP2145的仿真電感電流波形


我們可以觀察電感電流波形中的失真來確定電感何時達(dá)到飽和。

 

圖8顯示了MP2145評估板上測得的波形??梢钥闯?,當(dāng)電感飽和后有明顯失真,這與仿真結(jié)果相符。


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圖8:MP2145評估板的實(shí)際電感電流波形


方法4:測量電感的異常溫升并通過可聞噪聲來判斷

 

如果不知道系統(tǒng)的核心模型,則可能很難確定電感的飽和電流。有時候,測量電感電流也不是很方便,因?yàn)榭赡苄枰獙㈦姼袕腜CB上部分抬起以測量其電流。所以,我們可以采用另一個技巧,即使用熱像儀測量電感溫度。如果溫度明顯超出設(shè)計預(yù)期,則可能表明電感已飽和(見圖9)。另外,將耳朵靠近電感,如果它發(fā)出聲音,則也可能表明它已經(jīng)飽和。

 

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圖9:使用熱像儀測量電感溫度


在設(shè)計帶電感的電源時,避免電感飽和非常重要。本文介紹了導(dǎo)致磁飽和的一些物理特性,給出了為電路選擇合適電感值的公式和電感飽和時的電流波形圖,同時還提供了觀察應(yīng)用中電感是否飽和的其他一些技巧。如果您正在為設(shè)計項目選擇電感,請參見我們最新的電感產(chǎn)品目錄。



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