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| BUCK电感经验杂谈 |
| 新闻出处：21ic
发布时间： 2007-09-04 |
davidli88 发布于 2007-9-2 15:42:00
前不久曾有网友在一个BUCK应用中，先后用两个不同来路的经验公式计算，得出了5uH和150uH两个差别巨大的值，是公式本身有问题吗？显然不是，理论都是一样的，只不过不同人理解和应用有别而已。下面谈谈我的认识。
BUCK电感工作在单向磁化状态，磁芯一般有三大类：工字型磁芯、带气隙的EI磁芯、低u磁环。这三种磁性材料有一个共的特点，就是不容易产生磁饱合。BUCK电感发生磁饱合是很危险的，磁饱合状态下，磁芯的磁导率迅速下降，电感量将成比例下降，瞬间流过很大的电流，可导致输出电压升高。好在DC-DC拥有灵敏的电压反馈环路及过流过热保护功能，能讯速调整占空比，或令开关复位，输出电压不会比设定值高出太多，也不会烧毁开关管。
电感的损耗分铜损和铁损。铜损是电流流过电感线圈产生的欧姆热，铁损主要有涡流损耗和磁滞损耗。对于涡损，我对书本上的说法持不同意见，书上认为涡损与频率成正比，它们无一例外都认为感应电动势由磁通量变化速率决定，显然是“天下文章一大抄”的结果。
我认为实际应用中，涡损只与每伏匝数和占空比有关：把涡损看作串在变压器一匝绕组上的电阻的欧姆热，感应电动势只与电源电压和原线圈匝数有关，而感应电流的产生与消失，与原线圈同步。
可见，频率在数百K量级，电感每匝伏数不到1伏/匝情况下，对于电阻率几千欧/cm2/cm量级的磁芯，涡损可以忽略不计。
磁滞损耗，是磁力线方向改变，或磁动势发生变化时，分子电流变化时消耗的能量，它是磁芯发热的主要愿因。电感器电流纹波系数大，磁滞损耗就大。
较大的电流纹波系数，还要求输出滤波电容能承受较大的纹波电流，并且有较小的ESR，输出纹波的大小，等于纹波电流值在ESR上的压降，以及在容抗上的压降之和。
电感量的取值，推荐以额定输出电流时，电感电流纹波系数为0.1~0.3，纹波系数越小，对滤波电容要求越低，同时磁滞损耗也越小。
实际应用中，受体积和成本限制，不能随便采用大体积的电感器，那么怎样在同型磁芯中的基础上，兼顾最大的电感量与足够的饱合电流呢？我认为在电流纹波系数0.1~0.3的情况下，电感峰值电流仅为输出直流电流的1.1~1.3倍，饱合电流达到额定输出电流的1.5倍足亦，同一电感饱合电流要求由2降到1.5能达到什么目的？它能保证线圈加多1/3，从而增加7/9的电感量，将电流纹波系数降低44% 。
可能有人担心，同一磁芯满槽率一定的情况下，匝数加多1/3，线径就要减25%，铜损将增加44%，然而铜损一般都很小，同时滤波电容的正切损耗和ESR电阻发热电流随纹波电流的下降呈几何量级下降，足以弥补增多的铜损。故对效率基本上无影响。
可以用示波器测量纹波系数：取一段细导线，阻值以不影响电路工作为宜。将它从中间对折，绕成无感电阻，串在滤波电容地与继流二极管地之间，即可对电感电流取样，用示波器观查它的波形，电流的峰值与谷值之差的一半，除以平均电流即为电流纹波系数。
如果你观察到的纹波系数大于0.3，说明电感值不足，应适当加大。个别DC-DC的设计公式很变态，如MC34063，按它的公式推出来的电感取值，电流纹波系数为1，难怪很多人大叫它噪声太大。我认为要达到比较好的性能，这个电感需要加大到Lmin值的7-10倍，即保证电流纹波系数减小到0.1-0.3。
正激电源(FORWARD变换器)是BUCK电路的衍生应用，故本法同样适用于正激电源。
(未完待续）
mybao 发布于 2007-9-2 19:51:00
如果不考虑电感体积，电感量L增大太多有什么副作用？
maychang 发布于 2007-9-2 23:32:00
电感大了电容必定小，影响电源频率较高时的输出阻抗。
如果电容量固定，电感量增加会使动态响应变坏。
davidli88 发布于 2007-9-3 8:59:00
增大电感量,就是为了减小电流纹波,对滤波电容容量及ESR的要求呈比例下降
davidli88 发布于 2007-9-3 9:11:00
最大电感量由满载时电流纹波系数决定，纹波系数以0.1-0.3为宜，不提倡低于0.1，要学会理解嘛。
乙天 发布于 2007-9-3 20:06:00
看了不少资料，都在公式中绕来绕去，看到后面，已经没有耐心去看了。
对产品应用开发来说，分析现象，本质，得出解决方法就足够了。
喜欢看老外的书，可惜英文一般，读得太费劲。
很多国内论文，就是在换着法推导公式，让我们这些搞应用开发的人，看得云里雾里，谁有那破功夫去验证那些公式呀。讲到应用实践时，倒惜字如金，潦潦数笔就没影。
一级菜鸟 发布于 2007-9-3 21:44:00
davidli88提到铜损一般都很小，俺也同意，但是有个问题搞不懂
俺前不久做的的BUCK电路，频率47kHz,功率200W，UC3843电流模式驱动。
输出电感一开始取值200uH，线径0.5，铁氧体EI磁芯加气隙。
输出1A，200V时，线包发热非常厉害，5分钟内温度上升到80度以上（可以肯定是线包而不是磁芯发热，并且观察波形确定电感未饱和），但是脱机时测量线包的直流电阻在毫欧级，按理说不会这么烫，（直流条件下相同的输出没有任何温升）
考虑趋肤效应后仍旧觉得不应该有这么大损耗.
后来改绕电感，线径不变，多绕几层，电感为1mH，加电后温升明显变小，按理说此时铜损应该是变大的，为什么反而发热减小？
俺的电源对灯具供电，紋波大小没有要求，俺一开始觉得小电感可以降低成本，可是出现这样的情况，俺到现在没理解为什么。
maychang 发布于 2007-9-4 1:02:00
电感200uH时和1mH时，电流波形不一样，虽然平均值相同，但有效值不同，所以发热不同。是不是这个原因？
computer00 发布于 2007-9-4 1:25:00
但是热量却不一样了,也即有效值不一样.
一级菜鸟 发布于 2007-9-4 8:11:00
俺会再次测量两者平均电流、最大电流与占空比的关系，折合成I*I*R*T再次计算一次。
davidli88 发布于 2007-9-4 9:07:00
我没猜错的话，14楼是用市电整流做非隔离高压BUCK电路：输入280V、输入200V/1A、频率47KHz。
200欧负荷下用200uH电感，保持电感电流连续的最小电感量约500uH，小于500uH情况下，电路会减小开关占空比来调整输出电压，电流峰值很大。
davidli88 发布于 2007-9-2 15:42:00
前不久曾有网友在一个BUCK应用中，先后用两个不同来路的经验公式计算，得出了5uH和150uH两个差别巨大的值，是公式本身有问题吗？显然不是，理论都是一样的，只不过不同人理解和应用有别而已。下面谈谈我的认识。
BUCK电感工作在单向磁化状态，磁芯一般有三大类：工字型磁芯、带气隙的EI磁芯、低u磁环。这三种磁性材料有一个共的特点，就是不容易产生磁饱合。BUCK电感发生磁饱合是很危险的，磁饱合状态下，磁芯的磁导率迅速下降，电感量将成比例下降，瞬间流过很大的电流，可导致输出电压升高。好在DC-DC拥有灵敏的电压反馈环路及过流过热保护功能，能讯速调整占空比，或令开关复位，输出电压不会比设定值高出太多，也不会烧毁开关管。
电感的损耗分铜损和铁损。铜损是电流流过电感线圈产生的欧姆热，铁损主要有涡流损耗和磁滞损耗。对于涡损，我对书本上的说法持不同意见，书上认为涡损与频率成正比，它们无一例外都认为感应电动势由磁通量变化速率决定，显然是“天下文章一大抄”的结果。
我认为实际应用中，涡损只与每伏匝数和占空比有关：把涡损看作串在变压器一匝绕组上的电阻的欧姆热，感应电动势只与电源电压和原线圈匝数有关，而感应电流的产生与消失，与原线圈同步。
可见，频率在数百K量级，电感每匝伏数不到1伏/匝情况下，对于电阻率几千欧/cm2/cm量级的磁芯，涡损可以忽略不计。
磁滞损耗，是磁力线方向改变，或磁动势发生变化时，分子电流变化时消耗的能量，它是磁芯发热的主要愿因。电感器电流纹波系数大，磁滞损耗就大。
较大的电流纹波系数，还要求输出滤波电容能承受较大的纹波电流，并且有较小的ESR，输出纹波的大小，等于纹波电流值在ESR上的压降，以及在容抗上的压降之和。
电感量的取值，推荐以额定输出电流时，电感电流纹波系数为0.1~0.3，纹波系数越小，对滤波电容要求越低，同时磁滞损耗也越小。
实际应用中，受体积和成本限制，不能随便采用大体积的电感器，那么怎样在同型磁芯中的基础上，兼顾最大的电感量与足够的饱合电流呢？我认为在电流纹波系数0.1~0.3的情况下，电感峰值电流仅为输出直流电流的1.1~1.3倍，饱合电流达到额定输出电流的1.5倍足亦，同一电感饱合电流要求由2降到1.5能达到什么目的？它能保证线圈加多1/3，从而增加7/9的电感量，将电流纹波系数降低44% 。
可能有人担心，同一磁芯满槽率一定的情况下，匝数加多1/3，线径就要减25%，铜损将增加44%，然而铜损一般都很小，同时滤波电容的正切损耗和ESR电阻发热电流随纹波电流的下降呈几何量级下降，足以弥补增多的铜损。故对效率基本上无影响。
可以用示波器测量纹波系数：取一段细导线，阻值以不影响电路工作为宜。将它从中间对折，绕成无感电阻，串在滤波电容地与继流二极管地之间，即可对电感电流取样，用示波器观查它的波形，电流的峰值与谷值之差的一半，除以平均电流即为电流纹波系数。
如果你观察到的纹波系数大于0.3，说明电感值不足，应适当加大。个别DC-DC的设计公式很变态，如MC34063，按它的公式推出来的电感取值，电流纹波系数为1，难怪很多人大叫它噪声太大。我认为要达到比较好的性能，这个电感需要加大到Lmin值的7-10倍，即保证电流纹波系数减小到0.1-0.3。
正激电源(FORWARD变换器)是BUCK电路的衍生应用，故本法同样适用于正激电源。
(未完待续）
mybao 发布于 2007-9-2 19:51:00
如果不考虑电感体积，电感量L增大太多有什么副作用？
maychang 发布于 2007-9-2 23:32:00
电感大了电容必定小，影响电源频率较高时的输出阻抗。
如果电容量固定，电感量增加会使动态响应变坏。
davidli88 发布于 2007-9-3 8:59:00
增大电感量,就是为了减小电流纹波,对滤波电容容量及ESR的要求呈比例下降
davidli88 发布于 2007-9-3 9:11:00
最大电感量由满载时电流纹波系数决定，纹波系数以0.1-0.3为宜，不提倡低于0.1，要学会理解嘛。
乙天 发布于 2007-9-3 20:06:00
看了不少资料，都在公式中绕来绕去，看到后面，已经没有耐心去看了。
对产品应用开发来说，分析现象，本质，得出解决方法就足够了。
喜欢看老外的书，可惜英文一般，读得太费劲。
很多国内论文，就是在换着法推导公式，让我们这些搞应用开发的人，看得云里雾里，谁有那破功夫去验证那些公式呀。讲到应用实践时，倒惜字如金，潦潦数笔就没影。
一级菜鸟 发布于 2007-9-3 21:44:00
davidli88提到铜损一般都很小，俺也同意，但是有个问题搞不懂
俺前不久做的的BUCK电路，频率47kHz,功率200W，UC3843电流模式驱动。
输出电感一开始取值200uH，线径0.5，铁氧体EI磁芯加气隙。
输出1A，200V时，线包发热非常厉害，5分钟内温度上升到80度以上（可以肯定是线包而不是磁芯发热，并且观察波形确定电感未饱和），但是脱机时测量线包的直流电阻在毫欧级，按理说不会这么烫，（直流条件下相同的输出没有任何温升）
考虑趋肤效应后仍旧觉得不应该有这么大损耗.
后来改绕电感，线径不变，多绕几层，电感为1mH，加电后温升明显变小，按理说此时铜损应该是变大的，为什么反而发热减小？
俺的电源对灯具供电，紋波大小没有要求，俺一开始觉得小电感可以降低成本，可是出现这样的情况，俺到现在没理解为什么。
maychang 发布于 2007-9-4 1:02:00
电感200uH时和1mH时，电流波形不一样，虽然平均值相同，但有效值不同，所以发热不同。是不是这个原因？
computer00 发布于 2007-9-4 1:25:00
但是热量却不一样了,也即有效值不一样.
一级菜鸟 发布于 2007-9-4 8:11:00
俺会再次测量两者平均电流、最大电流与占空比的关系，折合成I*I*R*T再次计算一次。
davidli88 发布于 2007-9-4 9:07:00
我没猜错的话，14楼是用市电整流做非隔离高压BUCK电路：输入280V、输入200V/1A、频率47KHz。
200欧负荷下用200uH电感，保持电感电流连续的最小电感量约500uH，小于500uH情况下，电路会减小开关占空比来调整输出电压，电流峰值很大。
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