Выбор и расчет дросселя для повышающих и понижающих DC/DC-преобразователей

сегодня

Михаил Варакин (г. Ишим)

Дроссель – ключевой элемент DC/DC-преобразователя, влияющий на его эффективность и стабильность. Неправильный выбор может привести к сбоям в системе питания. При подборе подходящей модели нужно учитывать такие параметры, как индуктивность, рабочий ток, ток насыщения, сопротивление обмотки и температурная стабильность. Азиатские компании Sunlord и Fenghua выпускают широкую номенклатуру дросселей с различными параметрами и вариантами исполнения.

Дроссели являются важными компонентами, влияющими на эффективность работы DC/DC-преобразователя. Благодаря самоиндукции они выполняют следующие задачи в цепи питания:

• накапливают энергию в виде магнитного поля;
• создают электродвижущую силу (ЭДС), которая препятствует повышению или понижению тока в электрической цепи, то есть сглаживают колебания при изменении тока.

Неправильный выбор дросселя способен перечеркнуть достоинства DC/DC-преобразователя, а порой и спровоцировать длительный колебательный переходный процесс, что приведет к серьезным сбоям в работе системы питания. В устройствах, в которых нагрузка скачкообразно меняется в широких пределах, выбор дросселя должен быть корректным.

Одним из критериев дросселя является технология его изготовления. На сегодняшний день существует огромное разнообразие этих электронных компонентов в различных исполнениях. Они различаются:

• по материалу сердечника: стандартные ферритовые и высокотоковые версии из металлических сплавов и порошков;
• по конструктиву: выводные радиальные катушки, SMD-индуктивности для поверхностного монтажа, тороидальные дроссели на кольцевом сердечнике;
• по типу используемой обмотки: из круглого или плоского провода;
• по материалу внешней оболочки и экранированию: открытого типа без экранирования, с прорезиненным магнитным компаундом, а также в закрытом корпусе, совмещающем функции защиты и магнитного экранирования.

Рассмотрим основные аспекты магнитного экранирования. Когда по дросселю течет ток, вокруг него возникает магнитное поле. Его часть (так называемый «поток рассеяния») выходит за пределы самого компонента и может наводить помехи в соседних элементах схемы – аналоговых цепях, радиочастотных каскадах, быстрых цифровых линиях. Если рядом с дросселем стоят чувствительные элементы, такие наводки способны нарушить работу устройства. Поэтому в случаях плотной компоновки имеет смысл применять экранирование.

Магнитное экранирование дросселя – это процесс ослабления магнитного поля, которое создает вокруг себя компонент, с помощью специальных материалов или конструктивных решений. Для его реализации существуют несколько подходов:

• Экран, встроенный в конструкцию дросселя. Некоторые модели уже изначально имеют специальную часть (например, дополнительную магнитную чашку) или покрытие из магнитного компаунда. Такая конструкция замыкает силовые линии магнитного поля внутри компонента, резко снижая внешнее излучение.
• Внешний кожух. Дроссель помещают в отдельный металлический корпус (экран). Его делают из материалов с высокой магнитной проницаемостью, чтобы эффективно замыкать поток рассеяния. Для этого подходят пермаллой и железоникелевые сплавы. Иногда используют двухслойный экран.

Для дальнейшего раскрытия темы рассмотрим некоторые термины и явления, касающиеся магнитной индукции дросселя:

• Магнитная индукция B в дросселе – это векторная величина, характеризующая интенсивность магнитного поля внутри магнитопровода. Она измеряется в теслах (Тл).
• Напряженность магнитного поля H в дросселе – это величина, которая показывает, насколько интенсивно магнитное поле создается током в его обмотке.

Напряженность H и магнитная индукция B связаны через магнитную проницаемость материала сердечника μ и магнитную постоянную μ₀ (формула 1):

$$B=\mu \times \mu_{0}\times H\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

• Индуктивность дросселя L – это его способность накапливать энергию в магнитном поле и сопротивляться изменениям тока. Измеряется в генри (Гн). Чем больше индуктивность, тем сильнее дроссель замедляет рост тока. Индуктивность зависит от числа витков катушки, площади сечения сердечника, его длины и магнитной проницаемости материала.
• Насыщение дросселя – это уровень напряженности магнитного поля, при котором магнитопровод (сердечник) дросселя достигает максимальной магнитной индукции, после чего при нарастании напряженности прирост индуктивности резко снижается. Это происходит из-за нелинейности кривой зависимости магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H при намагничивании сердечника. Применительно к дросселям, насыщение приводит к падению номинальной индуктивности (рисунок 1).

Рис. 1. Падение индуктивности дросселя при насыщении сердечника

В зависимости от конкретного производителя в документации может указываться ток насыщения при разных уровнях просадки индуктивности (как правило, 10…30%).

При выборе дросселя для DC-DC преобразователя руководствуются его основными параметрами, такими как:

• Индуктивность L – главный номинальный параметр, определяющий реактивное сопротивление дросселя и его способность фильтровать сигналы.
• Номинальный среднеквадратичный ток дросселя I_rms, определяющий максимально допустимую величину постоянного тока, при которой компонент не перегревается и сохраняет параметры. При превышении этого значения возможно насыщение сердечника или выход из строя.
• Ток насыщения дросселя I_sat. При дальнейшем нарастании тока магнитная индукция практически не меняется. При насыщении происходит падение индуктивности.
• Сопротивление обмотки. Омическое сопротивление провода обмотки вызывает падение напряжения и рассеяние мощности. В низкочастотных и силовых цепях этот параметр играет важную роль.

Величины некоторых параметров и особенности расчетов будут рассмотрены далее для двух наиболее популярных топологий DC/DC-преобразователей: понижающих (BUCK) и повышающих (BOOST).

На рисунке 2 показаны принцип и режим работы дросселя в схемах BUCK (понижающих).

Работа Buck-конвертера состоит из двух фаз:

• Фаза накачки. Транзистор открыт, ток от источника питания протекает через дроссель и нагрузку. Энергия накапливается в нем и в конденсаторе выходного фильтра. Напряжение на нагрузке нарастает до требуемого значения.
• Фаза разряда. Транзистор закрыт, ток через него не протекает. Дроссель отдает накопленную энергию в нагрузку через разрядный диод. Ток продолжает протекать через нагрузку по тому же контуру. Дроссель не позволяет току измениться мгновенно. Без него ток через открытый транзистор был бы ограничен только сопротивлением проводов, что привело бы к выходу из строя компонентов преобразователя и невозможности сглаживания напряжения.

Рис. 2. Принцип и режим работы дросселя в схемах BUCK (понижающих)

По формулам 2 и 3 рассчитываются индуктивность и ток в понижающем преобразователе:

$$L=\frac{\left(V_{in}-V_{out} \right)\times D}{f_{switch} \times r \times I_{out}}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

$$D=\frac{V_{out}}{V_{in}}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Ток дросселя определяется исходя из баланса мощностей на входе и выходе преобразователя. Средний рабочий ток дросселя в данном случае будет равен выходному току нагрузки (формула 4):

$$I_{L_{RMS}}\approx I_{out\_application}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Размах пульсаций тока вычисляется по формуле 5:

$$(I_{L_{max}}-I_{L_{min}}) = \Delta I=r\times I_{out}\qquad{\mathrm{(}}{5}{\mathrm{)}}$$

где:

• L – индуктивность дросселя;
• V_in – входное напряжение;
• V_out – выходное напряжение;
• R – коэффициент, который учитывает пульсации тока (рисунок 3), значение r обычно выбирают из диапазона 0,2…0,4;
• F_sw – частота переключения преобразователя;
• D – коэффициент заполнения импульсов;
• I_Lmax – максимальный ток в дросселе;
• I_Lmin – минимальный ток в дросселе;
• I_out – ток на выходе устройства. 

Рис. 3. График пульсаций тока в дросселе

Для примера выполним расчет индуктивности и тока дросселя для понижающего преобразователя.

Исходные данные:

• входное напряжение U_вх = 24 В;
• выходное напряжение U_вых = 12 В;
• максимальный ток нагрузки I_вых = 1 А;
• рабочая частота преобразователя f = 450 кГц;
• коэффициент пульсаций тока через дроссель r = 0,3 (30%).

Рассчитываем индуктивность по формулам 2 и 3:

$$L=\frac{(24-12)\times 0.5}{450000\times 0.3\times 1}=44.4\:мкГн\qquad{\mathrm{(}}{6}{\mathrm{)}}$$

Выбираем ближайшее значение индуктивности из стандартного ряда 47, 56 или 68 мкГн. Более высокое значение позволяет получить меньший уровень пульсаций тока.

Номинальный ток дросселя, как было отмечено ранее, равен выходному току нагрузки (формула 7):

$$I_{nom}=I_{L}=I_{out}=1\:A\qquad{\mathrm{(}}{7}{\mathrm{)}}$$

Пиковый ток дросселя (с учетом пульсаций 30%) I_peak вычисляется по формулам 8 и 9:

$$I_{peak}=I_{out}+\frac{\Delta I}{2}\qquad{\mathrm{(}}{8}{\mathrm{)}}$$

$$I_{peak}=1+\frac{0.3}{2}=1.15\:A\qquad{\mathrm{(}}{9}{\mathrm{)}}$$

При подборе дросселя важно правильно выбрать его токи: рабочий и насыщения (рисунок 4):

• рабочий ток дросселя должен быть выше рассчитанного номинального;
• ток насыщения должен быть выше расчетного пикового.

Рис. 4. Рекомендации по выбору рабочего тока и тока насыщения

На рисунке 5 показаны принцип и режим работы дросселя в схемах BOOST (повышающих).

В повышающем преобразователе (Boost Converter) дроссель играет ключевую роль в накоплении и передаче энергии, обеспечивая выходное напряжение выше входного. Работа схемы также состоит из двух фаз:

• Фаза накопления энергии в дросселе. В этот период ключевой транзистор открыт, и ток от источника питания протекает через дроссель, накапливая энергию в его магнитном поле. При этом диод закрыт, а питание нагрузки осуществляется за счет энергии, запасенной в конденсаторе фильтра.
• Фаза передачи энергии в нагрузку. После закрытия транзистора ток начинает протекать по контуру «источник питания – дроссель – конденсатор фильтра – нагрузка». Энергия, накопленная в дросселе, суммируется с напряжением источника, что приводит к повышению выходного напряжения относительно входного. Одна часть тока дросселя идет на подзаряд конденсатора, другая – в нагрузку. Таким образом, в Boost-преобразователе дроссель не является элементом фильтра, а выходное напряжение становится больше входного на величину, определяемую индуктивностью дросселя и коэффициентом заполнения (отношением времени открытого состояния ключевого элемента к периоду коммутации). 

Рис. 5. Принцип и режим работы дросселя в схемах BOOST (повышающих)

Воспользуемся формулами 10…12 для расчета индуктивности и тока в повышающем преобразователе:

$$L=\frac{V_{in}^2\times D}{f_{switch}\times r\times V_{out}\times I_{out}}\qquad{\mathrm{(}}{10}{\mathrm{)}}$$

$$D=1-\frac{V_{in}}{V_{out}}\qquad{\mathrm{(}}{11}{\mathrm{)}}$$

$$I_{in}\approx I_{L}\approx \frac{V_{out}\times I_{out}}{V_{in}}\qquad{\mathrm{(}}{12}{\mathrm{)}}$$

Потери в дросселе DC-DC-преобразователя возникают из-за физических процессов, происходящих при его работе, и могут приводить к снижению КПД  и повышению температуры. Основные виды потерь — это потери в меди и потери в сердечнике.

Потери в меди связаны с сопротивлением обмоток постоянному току и увеличиваются пропорционально квадрату тока. При прохождении переменного тока также возникают дополнительные потери из-за поверхностного скин-эффекта и эффекта близости. Потери в сердечнике связаны с материалами, из которых он изготовлен, и растут пропорционально квадрату частоты. Они состоят из потерь от вихревых токов и потерь на гистерезис.

Одно из самых эффективных решений по снижению потерь – это выбор дросселя с максимально низким значением параметра сопротивления обмотки: DCR/RDC.

В таблице 1 приведены наиболее распространенные серии дросселей производства азиатских компаний Sunlord и Fenghua.

Таблица 1. Основные характеристики дросселей распространенных серий

Производитель	Серия	Вид	Диапазон индуктивностей, мкГн	Диапазон рабочих токов, А	Технология и особенности серии
Sunlord	SWRH-B		1…1500	0,19…11	Ферритовый сердечник, магнитный экран
	SWPA		0,22…680	0,19…7,5	Ферритовый сердечник, магнитный прорезиненный компаунд
	WPN		0,12…22	0,65…8,2	Сердечник на основе железа, магнитный экран
	MWTC		0,1…10	0,8…10	Литая конструкция (molded), металлический распределенный сердечник, магнитный экран
	MWSA-S		0,1…100	1…68	Литая конструкция (molded), металлический распределенный сердечник, магнитный экран
Fenghua	PIO		0,47…2200	0,15…6,8	Ферритовый сердечник, экранирование отсутствует
	MS		0,7…2200	0,5…19	Ферритовый сердечник, магнитный экран
	PRS		0,22…1500	0,19…7,8	Ферритовый сердечник, магнитный прорезиненный компаунд
	HA		0,22…150	0,9…29,5	Металлический сердечник, магнитный экран

В каталоге КОМПЭЛ можно ознакомиться с основными параметрами дросселей Sunlord и Fenghua. Специалисты компании по запросу могут предоставить дополнительную информацию.

Дополнительные материалы

1. Дроссели и фильтрующие компоненты
2. Новая складская программа КОМПЭЛ по чип-ферритам и чип-дросселям Fenghua
3. Со cклада доступен усовершенствованный аналог западных контроллеров – 100 В DC/DC-преобразователь NSR10A01 производства Novosense
4. SY8308RBC – высокоэффективный понижающий синхронный DC/DC-преобразователь 40 В, 8 А для серверного оборудования и телекома
5. Мощный понижающий DC/DC-преобразователь TPP60508 3PEAK для индустриального применения
6. 100-вольтовые понижающие DC/DC-преобразователи от основных азиатских производителей. Часть 1
7. 100-вольтовые понижающие DC/DC-преобразователи от основных азиатских производителей. Часть 2