212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224

Раздел 16 Импульсные источники питания

Выбор дросселя

Выбор сердечника для повышающего преобразователя

Только что рассчитанный нами сердечник для понижающего преобразователя работает в зоне действия положительной обратной связи. С увеличением тока индуктивность снижается, что ещё больше увеличивает ток. Для понижающих преобразователей, использующих сердечники из материала —26, требуется ограничение тока во избежание пагубных последствий эффекта обратной связи. В повышающих преобразователях сердечники работают с гораздо большими напряжённостями магнитного поля и меньшими значениями индуктивности. Тем более важно провести оценку сердечника при всех условиях работы, чтобы учесть возможность его насыщения. Проектирование дросселя без учёта положительной обратной связи по температуре приведёт к весьма рискованным последствиям.

Выберем дроссель для схемы повышающего преобразователя на MAX1896. Требуется дроссель индуктивностью 15 мкГн на частоте 1.4 МГц с током пульсаций 100 мА и постоянным током 450 мА при входном напряжении 2.6 В. Требуемый ток довольно мал, поэтому можно просто купить серийный дроссель. На сайтах производителей представлены расчётные таблицы, с которыми вы можете сверить свои расчёты и составить список дросселей, подходящих для вашей схемы. Производители катушек индуктивности определяют предельно допустимый ток дросселей, исходя из снижения индуктивности вследствие постоянного подмагничивания и нагрева из-за потерь под действием переменной (вызванной приложенным переменным напряжением) магнитной индукции. Фирма Coilcraft определяет ток насыщения как точку, в которой индуктивность снижается на 10% вследствие постоянного подмагничивания, и указывает величину нагрева вследствие переменной индукции. Требованиям нашей схемы удовлетворяют почти 50 различных дросселей, включая компоненты для поверхностного монтажа, с аксиальными выводами, экранированные и неэкранированные. Многообещающе выглядят два экранированных дросселя для поверхностного монтажа: DS3316P-153 и MSS6132-153. Применяемые в них сердечники не подвержены снижению индуктивности из-за постоянного подмагничивания.

Для схем повышающего преобразователя с более высоким током требуется специально рассчитанный дроссель. Для повышающего преобразователя на LT1680 требуется дроссель индуктивностью 32 мкГн на частоте 100 кГц с постоянным током подмагничивания 20.8 А и переменным током 4.2 А. Исходя из опыта проектирования дросселя для понижающего преобразователя, мы знаем, что вряд ли порошковый сердечник будет работать с переменными пульсациями этого источника питания без чрезмерного нагрева. Выберем для нашего дросселя Ш-образный сердечник из материала Magnetics Type R. Этот материал хорош тем, что его магнитная проницаемость возрастает с ростом температуры и с увеличением магнитной индукции, как показано на Рис. 8.6, Рис. 8.7 и Рис. 8.8. Видно также, что потери этого сердечника постепенно снижаются с ростом температуры до 100°С. График зависимости проницаемости от магнитной индукции демонстрирует, что нам следует удерживать индукцию ниже 2000 Гс, чтобы избежать падения индуктивности вследствие насыщения.

Для обмоток дросселя фирма Magnetics рекомендует использовать провод, допустимая плотность тока в котором составляет 400 А/см2 (см. Табл. 8.1). Для нашего максимального постоянного тока подходит провод №  10. По уравнению граничной частоты скин-эффекта мы видим, что в проводе №  10 скин-эффект начинается с частоты 12 кГц, поэтому нам нужно принять во внимание дополнительные потери вследствие этого. На Рис. 8.13 показана предоставленная фирмой Magnetics номограмма зависимости коэффициента индуктивности AL от максимальной величины накапливаемой энергии для различных Ш-образных сердечников. Величина накапливаемой энергии пропорциональна LI2.

Рис. 8.13. Номограмма зависимости коэффициента индуктивности AL от максимальной величины накапливаемой энергии для различных Ш-образных сердечниковРис. 8.13. Номограмма зависимости коэффициента индуктивности AL от максимальной величины накапливаемой энергии для различных Ш-образных сердечников

Максимальный ток в нашей схеме равен 22.9 А, поэтому LI2 = (32 мкГн х 22.9 х 22.9) = 17 мДж. По Рис. 8.13 видим, что для нашего дросселя подходит или сердечник 45021-ЕС с AL до 160, или сердечник 45528-ЕС с AL до 550. Справочные данные по сердечнику 45021 указывают на то, что для AL = 160 требуется зазор шириной 0.25 см, что для нашей схемы не очень подходит. В справочных данных по сердечнику 45528-ЕС указывается, что зазору 0.063 см соответствует значение AL = 500. Для стандартной величины зазора в номограмме указывается AL = 400. Для данного сердечника подойдёт зазор 0.09 см и материал Type R.

Теперь мы можем вычислить число витков и другие параметры. Обратите внимание, что коэффициент AL измеряется в мГн / 1000 витков, тогда как в порошковых сердечниках AL измеряется в мкГн / 100 витков.

N = 100 х 2 (0.032 мГн / 400) = 9 витков;   (8.24)

B = (L x ΔI x 108) / (2 х A х N) = (32 мкГн х 2.1 х 108) / (2 х 3.5×9) = 110 Гс;   (8.25)

Мощность = 0.15 мВт / cм3 х 43.1 = 6.5 мВт.   (8.26)

Нагрев из-за переменной индукции будет незначительным.

Можно использовать шесть проводников №  18 в параллельной намотке, чтобы снизить скин-эффект и при этом получить предельно допустимый ток, эквивалентный проводу №  10. Такой дроссель, несомненно, будет иметь большую паразитную ёмкость между витками. Ещё один вариант — скрутить вместе семь проводников №  19, чтобы получить эквивалент одного провода №  10. Можно взять различные варианты проводов и в лабораторных условиях измерить потери, чтобы оценить влияние диаметры провода на производительность.

212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224