螺旋线圈输出电感在低压大电流DC-DC转换器中的应用

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目前,在低压大电流DC-DC转换器中,广泛使用一种全新的,低高度,高功率密度的输出电感,该电感采用高频低损耗铁氧体磁芯,和耐高电流,极低损耗的平面绕组组合而成。
本文主要讨论影响DC/DC直流电源模块性能的关键参数,尤其是输出电感特性对电源总体性能的影响。比如,通常为设计师所忽略的“寄生电感”会导致电源额外的效率降低,以及由于开关管,同步整流管的输出电容和电路寄生电感形成谐振电路而产生的传导和辐射等电
磁干扰。最后,对我司的螺旋线绕线技术进行介绍,以便更好为变压器行业和电源整机厂家提供服务。
LC电路谐振频率由下式确定:
F=1/{2π×(Lstray×Coss)0.5}(1)
本文将讲述通过电感结构调整技术最小化寄生电感的几种方法。同时,介绍一种全新的实现低高度,大电流的螺旋线电感绕制技术,输出电感的额定电流高达15安培——200安培。
1:简介
在给微处理器和其他逻辑电路提供低压,大电流的电源技术中,倾向于采用电源并联阵列技术,比如多相脉宽技术,同步整流技术等工作频率较高(500kHz——750 kHz)的技术。
采用这些并联技术的好处是可以降低低压大电流(如1伏特,100安培)电源的总的交流或直流电阻。利用低损耗,高效率开关,采用以上所述的并联技术,电源模块即可达到良好的动态响应增益。但是,根据具体的应用场合,存在一个最佳的并联数,单路的承载功率越大,所需要的支路就越少。由于模块的可靠性随着器件的数量的增加而降低。决定实际需要几路取决于具体的应用需求。另外,在许多应用场合,为了满足工业标准低高度的要求,需要对应的器件实现低高度,平面化。通常,最难实现低高度的器件是输出电感。为了优化设计,必须有很宽选择范围的电感值和开关管,以供设计者进行选择。本文将分析输出电感参数对转换器性能的影响。
影响电源性能的因素如下:
1。电感的直流电阻对电源转换器的性能影响。
2。电感的交流电阻对电源转换器的性能影响。
3。杂散电感(漏感)对电源效率和其他性能的影响。

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输出电感的新的要求:
下一代的微处理器要求对应DC/DC直流转换器具有如下特点:1)为了满足瞬态响应要求,需要更低的输出阻抗(电源总的阻抗必须充分满足负载迅速切换导致的负载电流的快速变化可能产生的电压波动,电压必须保持稳定而不下陷或过冲,以满足实际要求)。2)更
低的电感回路阻抗,以保证电源对动态可编程输出电压的响应满足处理器的要求。(注意:为了满足当可编程电压调到更低电压时的响应要求,电源的输出端必须有足够容量的输出电容给处理器提供足够的充电电荷。)必须进行规划的关键参数包括总的开关接点阻抗(如图1)包括:电感阻抗,上面和下面的同步整流管的阻抗以及恢复体二极管的正向导通阻抗。在许多应用中,优化设计时必须考虑连续模式所需的最小电感量(低噪声)和瞬态响应要求的最大允许电感量。幸运的是,由于随着开关频率的提高,对应的电感量相应下降。不过设计师仍然需要很宽范围的电感值和额定电流值进行不同场合的优化设计。芯片制造商也应该意识到越来越高的电流和越来越低的工作电压这一发展趋势。预计到2010年左右,高性能芯片需要的电流和电压为250A和0.5V。是目前50A模块的5倍。
2.电感的直流电阻(DCR)对电源模块性能的影响功率损耗的一个重要来源是输出电感的直流电阻(DCR),这一参数反映了电感的最小损耗条件。通过对电感直流电阻的确定,即可初步估计对模块效率的影响大小。
比如:假设DCR=1mΩ,电流I=100A,
那么电感直流损耗P=I^2*DCR=10Watt (2)
如果电源提供100A电流,0.75V电压,那么电感的导致的效率是损失为:ηloss={1-(Vout*Iout)/[(Vout*Iout)+Pdcr.inductor]}*100% (3)
=11.76%
由此可以看出,仅仅1mΩ电感直流电阻就会导致模块效率低于89%。因此,对于输出电感来说,怎样对绕组结构进行优化,使直流电阻最小化就显得尤为重要。图3为一种将线圈截面尽量最大化的结构技术。螺旋线圈提供了最好的层间连接方法,由于线圈形状为扁平矩形截面,使得相邻匝间配合紧密,同时,高绝缘强度的绝缘层非常的薄,使得电感的窗口填充系数高达80%以上,而传统的漆包线的填充系数仅仅为50%左右。同时,由于是圆形绕制,同以前矩形绕制相比,相同匝数的线圈的长度最短,DCR最小。另外,由于线圈是通过自动化设备配合相应的磨具进行大批量生产,一致性非常高。
效率下降与电感DCR的关系:

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3:电感交流损耗和对电源系能的影响
电感的交流阻抗(ACR)是电压,电流和工作频率的函数。电压,电流和开关频率越高,线圈的交流损耗就越明显。在BUCK非隔离降压电路中,输入总线电压越高(相应电源输出电压越高),线圈的交流损耗和磁芯损耗也越高。
磁芯损耗随着输出电感的每匝电压的增加,磁芯的涡流损耗也越大,关系如下:

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由方程4可以看出,磁芯损耗与每匝电压的平方成正比。因此,对于48V输入总线的磁芯损耗是24V输入总线磁芯损耗的4倍。
通常,当开关频率超过250kHz是,开气隙的铁氧体磁芯性能优于铁粉芯磁芯以及其他的低电阻率(如合金带)的磁芯。这是由于铁氧体材料具有很高的电阻率,大约为1.5kΩ-cm,
而合金带的电阻率仅为十分之一毫欧-厘米。这就是为什么在高电流和高频场合常常选用低高度的PQ或RM性平面磁芯的关键原因之一。
绕组交流损耗

虽然磁芯损耗与开关频率的依赖不是很大,但是,绕组交流损耗却和开关频率紧密相关。两个因素决定了绕组的交流损耗:趋肤效应和临近效应。由公式3到5可以看出,电感绕组越薄,越扁平,对应频率下的交流损耗越小。开关频率越高,交流电阻越大,而不像直流电阻是一稳定值。图3所示的螺旋线圈在给定直流和交流纹波要求下,可以通过形状调整,达到直流电阻和交流电阻的最佳平衡。纹波电流和开关频率越高,扁平线圈厚度越薄,以避免交流过多超过直流损耗。以下的公式在评估一定开光频率下确定线圈的厚度非常有用:
趋肤深度

D(pen)=7.6/(f)0.5cm (5)
交流电阻

Rac=Rdc×D(coil)/D(pen)×n(层数) (6)


这里,D(pen)表示对应开关频率下的趋肤深度,而D(coil)表示线圈厚度。通过方程式4可以导出单层平面电感的趋肤深度。针对不同的应用场合,交流功耗是纹波对直流输出电感百分比的函数。举例来说:假设有100A输出电感,1V输出电压,750kHz开关频率的将压模块,纹波为直流电流的6%,那么交流电阻导致的功耗为:
P(电感交流电阻损耗)=I纹波^2×Rdc (7)
对于1.27mm厚,直流电阻为0.45毫欧,3匝线圈的功耗为2W。
而对于2.54mm厚,直流电阻为0.15毫欧,3匝线圈的功耗为1.3W。
当然,方程6仅仅适用于扁平螺旋线电感,这是由于此时绝大多数导体表面的磁场截面积都是一致的。典型的输出滤波电感有更小的交流纹波电流分量,同平面变压器相比,在优化设计时,平面电感有更高的交流直流电阻比(Rdc/Rac),因此,在设计高输出电流,低输出电压的输出电感时,低直流电阻DCR是优先考虑因素。
4:漏磁通(漏感)对模块效率和其他性能的影响
在开关电源电路中,通过减小开关管和输出电感之间的连接线之间的漏感是减小L-C寄生振荡的有效途径。如4所示,在输出电感端部引线和结构有助于较小EMI噪声和增加模块效率。虽然该电路模型拓扑为同步整流,但是对于以肖特基二极管代替同步整流管的典型的降压模块同样适用。从传统的时域分析可以看出,振荡发生在开关管关断时电感漏感
和开关管的Coss非线性电容发生谐振过程中。如果假定开关管的模型是理想化的,但是由于开关管的寄生非线性电容始终存在,方程10和11表示出了功耗和开关管的寄生电容Coss和漏感的关系。方程式9和10表示出了开关管关断过程中电磁干扰噪声的产生原因和电路参数的相互关系。

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假定在图4所示的典型的降压型电源模块中,开关管寄生电容Coss=1000pF,Vds=48V,f=750kMHz,Is=100Amps,Ls=1.0nH。那么,通过公式9可以得到振荡周期为0.138纳秒或者最高频率为7.2GHz。从公式9还可以看出,开关管的寄生电容越大,振荡周期越长。
从公式10和11可以计算出功耗P(loss)=3.75Watt.这表明硬开关电路产生严重的电磁干扰噪声。如果增加两个MOS管之间的距离以及同输出电感之间的距离,功耗会随着漏感的增加而急剧增加。因此,在布局时,必须合理考虑器件的相对位置。
5:控制漏感
漏感不仅会导致模块的功耗增加,正如他的名称,由于漏感并未全部经过磁芯的磁路,部分磁路经过附近的空气,因此,在空间产生很强的电磁场,导致对附近的电路产生串绕(crosstalk)。输出电感必须采用闭合磁路的磁芯,比如RM型,PQ型等。这些磁芯对绕组进行了屏蔽,从而降低了漏感的辐射。在高功率情况下,由于磁环绕制的线圈暴露在外部,必须避免使用。工字型的磁芯,磁场完全通过空间发散,漏感情况最严重。在许多输出电感的设计方式中,由于引线端头分布不合理,在磁芯的两端存在隐含的“半匝”效应,迫使线圈的最后一匝的磁路通过空气来闭合。也会导致漏感和发散磁场的增加。图5和图6给出了采用PQ磁芯设计的闭合磁路的具有低发散漏感的低高度,高电流螺旋线输出电感。该种结构除了有利于器件小型化,从而有利于布局设计外,还具有很宽范围电感值和电流值,充分满足了设计师对低噪声,大电流输出电感的选择要求。

6结论
在不久的将来,满足对新型处理器供电要求的直流-直流模块需要25A,50A.100A的输出电感的需求越来越大。这要求输出电感的DCR,ACR以及漏感都非常小。因此,采用螺旋线技术是达到以上要求的最佳方案。佰力公司在设计和生产螺旋线圈投入了很大的资金和精力,积累了丰富的设计和生产经验,能够提高能够各种规格的螺旋线圈,也可按照客户的要求设计和开模,竭诚为广大客户提供尽善尽美的产品和服务。

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