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Wie Parameter für Leistungsinduktivitäten für DC-DC-Wandler zu verstehen sind

Datenblätter beschreiben Induktivitäten normalerweise mit Toleranz, Nennstrom, Sättigungsstrom, Umgebungstemperaturbereich, maximaler Teiltemperatur, Gleichstromwiderstand (DCR) und Eigenfrequenz (SRF) – aber was bedeuten diese Parameter? Wann sollte eine geschirmte und wann eine nicht geschirmte Induktivität verwendet werden?

Geschirmt oder nicht geschirmt?
Nicht geschirmte Induktivitäten haben einen offenen Magnetkreis. Der im Kern durch den Strom induzierte magnetische Fluss in der Wicklung verlässt den Kern und erstreckt sich durch die Luft zur anderen Seite des Kerns, wo er den Fluss vervollständigt. Der magnetische Fluss außerhalb des Kerns beeinflusst Schaltungen in der Umgebung. Eine nicht geschirmte Induktivität von der gleichen Größe wie eine geschirmte hat einen höheren Sättigungsstrom und verursacht niedrigere Kosten.












Eine geschirmte Induktivität ist so ausgelegt, dass der magnetische Fluss niemals den Kern verlässt und so verhindert, dass der Fluss empfindliche Komponenten, die in der Nähe sein könnten, stört. Eine geschirmte Induktivität von der gleichen Größe wie eine nicht geschirmte hat einen niedrigeren Sättigungsstrom und verursacht höhere Kosten.








Die neuesten Fortschritte in der Technologie ermöglichen die Herstellung von Komposit-Induktivitäten. Der Kern der Induktivität besteht aus Metallpulver (Eisen, Eisenlegierung oder eine Mischung aus Eisen und anderen Metallen) mit einer Partikelgröße von 4 bis 10 um. Die Spule, die auf einer Ablage liegt, wird in ein Stahl-Formwerkzeug gelegt, das mit pulverisiertem Metall gefüllt ist, wodurch sichergestellt wird, dass das Pulver die Spule vollständig umgibt. Das Pulver wird dann durch Punzarbeit von oben und unten bei einem Druck im Bereich von 600 MPa verdichtet, um einen dichten Magnetkern um die Spule zu bilden. Die Metallpartikel im Kern sind von nichtmagnetischem und nichtleitendem Material umgeben (Siliziumoxid, organisches Bindemittel), das einen „Luftspalt“ verteilt. Die so hergestellten Induktivitäten sind geschirmt und weisen ausgezeichnete Parameter auf, insbesondere einen hohen Sättigungsstrom.











Geschirmte Induktivitäten sind teurer und haben einen niedrigeren Sättigungsstrom (bei der gleichen physikalischen Größe, Kernmaterial und Induktivität), aber sie reduzieren die elektromagnetische Störung (EMI) stark. Es lohnt sich fast immer, die geschirmten Induktivitäten zu verwenden, um EMI-Probleme zu vermeiden. Dies trifft besonders dann zu, wenn der Wandler höhere Schaltfrequenzen verwendet.

Induktiver Widerstand und Eigenfrequenz (SRF)
Der induktive Widerstand wird typischerweise mit einer kleinen Spannung (0,1 Vrms) bei einer Frequenz von 100 kHz ohne Gleichstrom-Vorspannung gemessen. Die typische Herstellungstoleranz beträgt ±20 %. SRF bezeichnet die Frequenz, bei der der induktive Widerstand einer Induktivitäts-Wicklung auf natürliche Weise mit der verteilten Kapazität dieser Wicklung in Schwingung gerät. Eine gute Faustregel ist es, die Schaltfrequenz zehnmal geringer als die SRF zu halten.

Nenn- und Sättigungsstrom
Der Nennstrom ist der effektive Gleichstrom (oder Niederfrequenz-Wechselstrom), der den vorgegebenen Temperaturanstieg, normalerweise 40°C, verursacht.

Die Hersteller verwenden unterschiedliche Test-PCBs (Leiterplatten) und stellen keine detaillierte Informationen bereit, was den Spulenvergleich zwischen den Herstellern schwierig macht. Der Temperaturanstieg hängt stark von vielen Faktoren ab, einschließlich PCB-Leiterplatte, Spurengröße, Nähe zu anderen Komponenten usw. Daher sollte der Temperaturanstieg im Endprodukt überprüft werden.

Der Sättigungsstrom ist definiert als die Gleichstrom-Vorspannung, die eine bestimmte Menge an Induktivitätsabnahme verursacht, üblicherweise 10 %, 20 % oder 30 % Induktivitätsabfall.
Verschiedene Hersteller verwenden unterschiedliche Induktivitätsabfälle, um den Sättigungsstrom zu definieren, was den Spulenvergleich zeitaufwendig macht.

Umgebungstemperaturbereich und maximale Spulentemperatur
Mehrere Quellen führen verschiedene Stellen zur Bestimmung der Umgebungstemperatur auf. Die Datenblätter definieren nicht klar, wo die Umgebungstemperatur gemessen wird. Für weitere Informationen siehe Artikel Was ist überhaupt die Umgebungstemperatur, und warum ist sie wichtig? oder den Text Semiconductor and IC Package Thermal Metrics.

Die maximale Spulentemperatur liefert nützliche Informationen, da sie es ermöglicht, die Spulentemperatur im Endprodukt zu überprüfen. Die Spulentemperatur sollte den Sollwert unter den schlechtesten Betriebsbedingungen nicht überschreiten. Die Spulentemperatur wird durch Schaltungsentwurf, die Komponenten-Platzierung, die Leiterplattenspurengröße und -dicke, den Luftstrom und andere Kühleigenschaften beeinflusst.

Gleichstromwiderstand (DCR)
Der Gleichstromwiderstand der Spule wird bei einer Raumtemperatur von 25°C gemessen. Der Gleichstromwiderstand ist temperaturabhängig. Eine typische Wicklung ist aus Kupferdraht gefertigt. Der Temperaturkoeffizient des Widerstands von Kupfer beträgt etwa +0,4 % pro °C. Das scheint nicht viel, aber für eine Spulentemperatur von 125°C bedeutet das (125-25) * 0,4% = 40 % Widerstandszunahme.
Der Widerstand erhöht sich auch mit der Schwingungszahl durch den Skineffekt. Der Wechselstromwiderstand (ACR) wird im Datenblatt nicht erwähnt.

Der typische Aufbau des DC-DC-Wandlers berechnet mit einem Spitzen-Spitze-Rippelstrom durch die Induktivität 20 bis 40 % des Ausgangsgleichstroms. Der Rippelstrom ist eine Dreieckwelle, und bei einer Einschaltdauer von 50 % liegt der RMS-Wert bei ca. 0,577 Ip-p. Wie man auf Abbildung 9 erkennen kann, ist für die Frequenz 200 kHz Rac / Rdc = 1, der Gesamtwiderstand bei dieser Frequenz ist Rtot = Rdc + Rac = 2Rdc. Der Leistungsverlust der Wicklung wird P = Pdc + Pac, Pdc = Idc ^ 2 * Rdc sein;
bei Iac(p-p) = 0.3Idc, Pac = Iac_rms^2*Rac =(0.575 * 0.3 * Idc)^2 * 2Rdc= 0,06Idc^2 * Rdc = 0.06 Pdc.
Bei 1 MHz Rtot = Rdc + 2.5Rdc = 3.5Rdc und Pac = 0.1Pdc.

Der Wechselstromwiderstand erhöht den Leistungsverlust der Wicklung, und es wird empfohlen, den Anbieter um Informationen zu Verlust contra Frequenz zu bitten.

Wie passt nun alles zusammen?
Die Spule für den DC-DC-Wandler sollte so gewählt werden, dass:
• die Spule auch unter den schlechtesten Arbeitsbedingungen nicht überhitzt;
• die Induktivität nicht unter den für die Stabilität des Wandlers notwendigen Wert fällt;
• eine starke Sättigung vermieden wird;
• der Wandler die erforderliche Größe hat;
• der Wandler die höchste Effizienz vorweist.

Andere Wandlerparameter wie die Ausgangsspannungswelligkeit und das Einschwingverhalten haben ebenfalls Einfluss auf den Induktivitätswert.

Um schnell zu erkennen, ob die Induktivität für eine bestimmte Anwendung geeignet ist, bieten einige Hersteller wie Vishay, Panasonic und Coilcraft webbasierte Software an.

Mehr Informationen unter:

http://www.vishay.com/inductors/calculator/calculator/
http://www.coilcraft.com/apps/power_tools/power/
https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/chr-vw/view03/
https://util01.industrial.panasonic.com/ww/utilities/ds/pcc-sim/

Weitere Informationen über unser Angebot an Spulen finden Sie auf unseren Webseiten oder kontaktieren Sie uns unter verkauf@soselectronic.de.

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