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你知道電感的5大損耗嗎?

發(fā)布時(shí)間:2023-06-26 來(lái)源:作者:Katter 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在設(shè)計(jì)DC-DC電路時(shí),經(jīng)常會(huì)考慮它的效率,90%還是在80%的效率對(duì)于一個(gè)消費(fèi)電子設(shè)備的續(xù)航來(lái)說(shuō),存在非常大的區(qū)別。


在設(shè)計(jì)DC-DC電路時(shí),經(jīng)常會(huì)考慮它的效率,90%還是在80%的效率對(duì)于一個(gè)消費(fèi)電子設(shè)備的續(xù)航來(lái)說(shuō),存在非常大的區(qū)別。


有時(shí)候在看某芯片的規(guī)格書,器件標(biāo)稱的效率能達(dá)到92%。但是自己按照同樣的輸入、輸出電壓、負(fù)載電流來(lái)設(shè)計(jì)電路,然后測(cè)試效率,為什么測(cè)試的結(jié)果只有85%,87%,就是達(dá)不到90%以上呢?


實(shí)際上DC-DC的效率測(cè)試,不僅僅和芯片有關(guān),與我們的測(cè)試方法,電感和電容的選擇,芯片的工作模式也有關(guān)系。


今天這篇文章我們來(lái)聊聊電感的5大損耗,關(guān)于測(cè)試方法,芯片工作模式,在后續(xù)的文章中會(huì)有分享。本篇文章的框架如下:


1. 趨膚效應(yīng)


在分析電感的損耗之前需要了解兩個(gè)高頻的效應(yīng)——趨膚效應(yīng),鄰近效應(yīng)。


趨膚效應(yīng):交變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí),電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的,導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度,且交變電流的頻率越高,這種趨勢(shì)越明顯,該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effiect),趨膚效應(yīng)也稱集膚效應(yīng)。


如果流向?qū)w的電流的頻率升高,電流就會(huì)只流過(guò)導(dǎo)體的表面,表面部分的電流密度增大,電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做趨膚效應(yīng),也叫做表皮效應(yīng)。



你知道電感的5大損耗嗎?


產(chǎn)生趨膚效應(yīng)的本質(zhì)原因是電流和磁場(chǎng)的相關(guān)關(guān)系,用下面的圖來(lái)表示:



你知道電感的5大損耗嗎?


對(duì)一根流過(guò)電流為I的導(dǎo)線,在導(dǎo)線的垂直平面形成交變磁場(chǎng),交變磁場(chǎng)在導(dǎo)體內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在導(dǎo)體內(nèi)部形成渦流電流,渦流在導(dǎo)體內(nèi)部與電流的變化趨勢(shì)相反,阻礙電流的變化,渦流的變化在導(dǎo)體表面與電流的變化趨勢(shì)相同。


在導(dǎo)體內(nèi)部,等效電阻變大,而導(dǎo)體表面等效電阻變小,因此電流更趨向于在導(dǎo)體表面流動(dòng),但相比電流在整個(gè)截面積為S的導(dǎo)線上流動(dòng),在表面流動(dòng)意味著導(dǎo)線的電阻增大了。


2. 鄰近效應(yīng)


鄰近效應(yīng):多根導(dǎo)線鄰近時(shí),每個(gè)繞組形成的磁場(chǎng)感應(yīng)渦流,高頻時(shí)會(huì)集中于導(dǎo)體內(nèi)的電流鄰近的導(dǎo)線相鄰接的狹小區(qū)域而流過(guò),鄰近部分的電流密度增大,電阻值增加。我們將這種效應(yīng)叫做鄰近效應(yīng)。


如下圖所示,兩個(gè)同方向的導(dǎo)線流通相同方向的電流,在兩個(gè)導(dǎo)線相鄰的位置電流的大小為電流I減去渦流,而在遠(yuǎn)離的一邊,電流為I加上渦流。



你知道電感的5大損耗嗎?


上面的兩相鄰導(dǎo)體電流同相流動(dòng)時(shí)電流的分布,如果兩個(gè)導(dǎo)體的電流是反向的流動(dòng),導(dǎo)體的之間線纜的流動(dòng)如下所示:



你知道電感的5大損耗嗎?


當(dāng)回流導(dǎo)體靠近時(shí),兩根導(dǎo)線的場(chǎng)向量將相加。在兩導(dǎo)體相鄰之間,磁場(chǎng)方向相同而加強(qiáng);兩導(dǎo)線之外側(cè),磁場(chǎng)相反而抵銷,磁場(chǎng)很弱,或?yàn)榱?。在?dǎo)體內(nèi)部,由兩導(dǎo)體外側(cè)向內(nèi)逐漸加強(qiáng),到達(dá)導(dǎo)體的內(nèi)表面時(shí)磁場(chǎng)最強(qiáng)。


3. 鐵損 銅損


在電感中主要有4個(gè)損耗,銅損,鐵損,渦流損耗,磁滯損耗。


銅損:電流流向?qū)Ь€時(shí)的電阻成分引起的損耗稱為銅損。



你知道電感的5大損耗嗎?


對(duì)于一個(gè)電感來(lái)說(shuō),本身就只有兩部分,線圈和磁芯,其中線圈為銅損,磁芯為鐵損。磁束通過(guò)磁芯時(shí)磁芯內(nèi)產(chǎn)生的損耗(磁滯損耗和渦流損耗)稱為鐵損。因此,鐵損都是有磁芯產(chǎn)生的。


4. 渦流損耗


渦流損耗:因電磁感應(yīng)而變化的磁場(chǎng)會(huì)在導(dǎo)體的磁芯中產(chǎn)生渦狀的電流。產(chǎn)生此電流的能量會(huì)因磁芯材料的電阻而被轉(zhuǎn)換成熱并成為損耗。我們將這種損耗叫做渦流損耗。



你知道電感的5大損耗嗎?


5. 磁滯損耗


磁滯損耗:如果是磁芯內(nèi)的磁場(chǎng)變化或者反轉(zhuǎn),就會(huì)伴隨磁滯(磁芯材料的BH圖中所示的磁滯回線)而返回原先的狀態(tài)。為了此磁滯的運(yùn)動(dòng)而消耗的能量會(huì)作為熱損耗掉。我們將這種損耗叫做磁滯損耗,磁滯損耗與磁滯回線的面積成正比。



你知道電感的5大損耗嗎?


根據(jù)前面的分析,磁芯在磁場(chǎng)中會(huì)被磁化,磁化的過(guò)程會(huì)使內(nèi)部的磁疇發(fā)現(xiàn)方向的偏轉(zhuǎn),在偏轉(zhuǎn)的時(shí)候,與外磁場(chǎng)方向相差不大的磁疇發(fā)生了‘彈性’轉(zhuǎn)動(dòng),這就是說(shuō)當(dāng)外磁場(chǎng)去掉時(shí),磁疇仍能恢復(fù)原來(lái)的方向;而還有一部分磁疇要克服磁疇壁之間存在摩擦,發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng),即當(dāng)外磁場(chǎng)去除時(shí),磁疇仍保持磁化方向。


因此磁化時(shí),送到磁場(chǎng)的能量包含兩部分:前者轉(zhuǎn)為勢(shì)能,即去掉外磁化電流時(shí),磁場(chǎng)能量可以返回電路;而后者變?yōu)榭朔Σ潦勾判景l(fā)熱消耗掉,這就是磁滯損耗。根基磁滯曲線可知,當(dāng)磁滯曲線的面積越大時(shí),需要克服摩擦摩擦發(fā)生剛性轉(zhuǎn)動(dòng)需要的能量越多。

(作者:Katter,來(lái)源于大話硬件)


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