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如何避免电源设计中的电感饱和

发布时间:2021-11-26 来源:芯源系统 责任编辑:wenwei

【导读】电感是DC / DC电源中的重要组成部分。选择电感需要考虑很多因素,例如电感值、DCR、尺寸和饱和电流。电感的饱和特性常会被人们误解而带来麻烦。本文将探讨电感如何达到饱和、饱和如何影响电路,以及检测电感饱和的方法。

 

电感饱和的原因

 

请参见图1和下面的电感饱和步骤,来了解电感是如何达到饱和的:


●     当电流通过图1中的线圈时,线圈会产生磁场;

●     磁芯被磁场磁化,其内部磁畴会缓慢旋转。

●     当磁芯被完全磁化后,磁畴的方向与磁场一致。这时,即使添加外部磁场,磁芯内也没有旋转的磁畴。此时,电感达到饱和。


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图1:电感饱和示意图


图2从另一个角度表达了电感的饱和,并通过方程式显示了系统的磁通密度(B)和磁场强度(H)如何影响电感。

 

当磁通密度达到BM时,磁通密度不再随磁场强度的增强而增加,此时电感达到饱和。

 

再看电感和磁导率(μ)之间的关系。当电感饱和后,磁导率将大幅减小,从而导致电感大幅降低,并失去抑制电流的能力。


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图2:磁化曲线和公式


判断电感饱和的技巧:

 

在实际应用中判断电感饱和的方法分为两大类:理论计算和实验测试。图3总结了这些方法。


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图3:判断电感饱和的方法


理论计算需要计算最大磁通密度或最大电感电流,而实验测试则主要集中在观察电感电流波形和其他的初步判断方法上。具体请看下面的详细描述。

 

方法1:计算磁通密度

 

这种方法适用于采用磁芯来设计电感的场景。磁芯参数包括磁路长度(lE)和有效面积(AE)。磁芯类型还决定了相应的磁材等级。磁性材料也必须对磁芯损耗和饱和磁通密度进行相应的规定(参见图4)。


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图4:电感参数和特性


有了这些资料,我们就可以根据实际设计方案计算出最大磁通密度。图5显示了最大磁通密度的计算公式。


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图5: 磁通密度计算公式


实际中的计算可以简化,用µI代替µR。当与磁性材料的饱和磁通密度进行比较时,就可以判断设计的电感是否存在饱和风险。

 

方法2:计算最大电感电流

 

当采用现有电感来设计电路时,可以采用这种方法。不同电路拓扑下,电感电流的计算公式也不同。 

 

以开关模式变换器MP2145为例,可以根据以下公式计算电感电流,并将计算结果与电感规格进行比较,以判断电感是否会达到饱和(见图6)。


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图6:以 MP2145为例计算最大电感电流


方法3:通过电感电流波形判断电感是否饱和

 

此方法是工程师可用的最常见且最实用的方法。

 

我们采用MPSmart仿真工具,以MP2145为例来说明。从仿真波形中可以看到,当电感不饱和时,电感电流是具有一定斜率的三角波。当电感饱和时,电感电流波形会产生明显失真,这种失真是由饱和后电感降低引起的(请参见图7)。


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图7:MP2145的仿真电感电流波形


我们可以观察电感电流波形中的失真来确定电感何时达到饱和。

 

图8显示了MP2145评估板上测得的波形。可以看出,当电感饱和后有明显失真,这与仿真结果相符。


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图8:MP2145评估板的实际电感电流波形


方法4:测量电感的异常温升并通过可闻噪声来判断

 

如果不知道系统的核心模型,则可能很难确定电感的饱和电流。有时候,测量电感电流也不是很方便,因为可能需要将电感从PCB上部分抬起以测量其电流。所以,我们可以采用另一个技巧,即使用热像仪测量电感温度。如果温度明显超出设计预期,则可能表明电感已饱和(见图9)。另外,将耳朵靠近电感,如果它发出声音,则也可能表明它已经饱和。

 

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图9:使用热像仪测量电感温度


在设计带电感的电源时,避免电感饱和非常重要。本文介绍了导致磁饱和的一些物理特性,给出了为电路选择合适电感值的公式和电感饱和时的电流波形图,同时还提供了观察应用中电感是否饱和的其他一些技巧。如果您正在为设计项目选择电感,请参见我们最新的电感产品目录。



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