電源設計でインダクタの飽和を回避する方法
インダクタは、DC/DC電源の重要な部品です。インダクタンス値、DCR、サイズ、飽和電流など、インダクタを選択する際には多くの考慮事項があります。インダクタの飽和動作は誤解されることが多く、トラブルとなる場合があります。本稿では、インダクタが飽和する方法、飽和が回路に与える影響、およびインダクタの飽和を検出する方法について説明します。
インダクタ飽和の理由
インダクタがどのように飽和するかを理解するには、図1および以下に説明するインダクタ飽和の段階を参照してください。
- 図1のコイルに電流が流れると、コイルは磁場を生成します。
- 磁気コアは磁場によって磁化され、その内部磁区はゆっくりと回転します。
- 磁気コアが完全に磁化されると、磁区の方向は磁場と一致するようになります。外部磁場が追加されても、コアには回転する磁区がありません。これはインダクタが飽和していることを意味します。
図1: インダクタ飽和図
図2は、インダクタ飽和の別の観点と、システムの磁束密度 (B) と磁界強度 (H) がインダクタンスにどのように影響するかを示す式を示しています。
磁束密度が最大磁束密度 (BM) に達すると、磁束密度は磁場の強さとともに増加しなくなります。これはインダクタが飽和していることを意味します。
インダクタンスと透磁率 (μ) の関係を考慮してください。インダクタが飽和すると、μは大幅に減少します。したがって、インダクタンスが大幅に減少し、電流を抑制する機能が失われます。
図2: 磁化曲線と式
インダクタの飽和を判断するためのヒント :
実際のアプリケーションでインダクタの飽和度を判断するには、理論計算と実験テストの2つのカテゴリがあります。 図3は、これらの方法をまとめたものです。
図3: インダクタの飽和を決定する方法
理論計算では、最大磁束密度または最大インダクタ電流を計算する必要があります。一方、実験試験は主にインダクタ電流波形やその他の予備的な判断方法に焦点を当てています。これらの方法については、以下で詳しく説明します。
方法1: 磁束密度の計算
方法1は、磁気コアを使用してインダクタを設計するシナリオに適しています。たとえば、コアパラメータには、磁路長 (lE) と有効面積 (AE) が含まれます。磁気コアのタイプも対応する磁性材料のグレードを決定し、磁性材料はコア損失と飽和磁束密度に関する対応する規制を必要とします (図4を参照)。
図4: インダクタのパラメータと特性
これらの材料を使用すると、実際の設計シナリオに従って最大磁束密度を計算できます。図5に最大磁束密度の計算式を示します。
図5: 磁束密度の式
実際には、計算を簡略化でき、μRの代わりにμIを使用できます。磁性材料の飽和磁束密度と比較すると、設計されたインダクタンスが飽和のリスクがあるかどうかを判断できます。
方法2: 最大インダクタ電流の計算
この方法は、既存のインダクタを直接使用して回路を設計するのに適しています。回路トポロジーが異なれば、インダクタ電流の計算式も異なります。
例として、スイッチモードコンバータであるMP2145を取り上げます。インダクタ電流は、以下の式に従って計算し、計算結果をインダクタの仕様値と比較して、インダクタが飽和するかどうかを判断できます (図6を参照)。
図6: MP2145を使用した最大インダクタ電流の計算
方法3: インダクタがインダクタ電流波形によって飽和しているかどうかを判断する
この方法は、エンジニアが利用できる最も一般的で実用的な方法です。
MPSmartシミュレーションツールとMP2145を使用してください。シミュレーション波形から、インダクタが飽和していない場合、インダクタ電流は一定の傾きを持つ三角波であることがわかります。インダクタが飽和すると、インダクタ電流波形に大きな歪みが生じます。これは、飽和感の低下が原因です (図7を参照)。
図7: MP2145のインダクタ電流波形
インダクタ電流波形の歪みを観察して、いつ飽和するかを判断できます。
図8に、MP2145評価ボードで測定した波形を示します。インダクタが飽和した後、明らかな歪みがあり、これはシミュレーション結果と一致しています。
図8: MP2145評価ボードの波形
方法4: インダクタの異常な温度上昇を測定し、可聴音を聞く
システムのコアモデルがわからない場合、インダクタの飽和電流を決定するのは難しいかもしれません。インダクタ電流を測定するためにインダクタをPCBから部分的に持ち上げる必要がある場合があるため、インダクタ電流をテストするのが不便な場合があります。もう1つのトリックは、サーマルカメラでインダクタの温度を測定することです。温度が設計の予想を大幅に超える場合は、インダクタが飽和していることを示している可能性があります (図9を参照)。インダクタに耳を近づけて音を出している場合は、飽和状態になっている可能性もあります。
図9: サーマルカメラを使用したインダクタ温度の測定
インダクタ付きの電源を設計するときは、インダクタが飽和しないようにすることが重要です。本稿では、磁気が飽和する原因となるいくつかの物理的動作について説明し、アプリケーションで回路に適切なインダクタンス値を選択するための方程式、インダクタが飽和したときの電流波形のスコープ写真、およびインダクタの飽和を観察するためのその他のコツをご紹介しました。次の設計プロジェクト用のインダクタを選択するには、インダクタの新しいカタログを参照してください。
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