電感器和溫度

迄今為止對(duì)關(guān)于LM3554和高溫的討論也適用于LM3554的功率電感。與半導(dǎo)體器件(如LM3554)一樣，功率電感器損耗過多熱量將改變器件特性并導(dǎo)致電感和電源工作異常。功率電感溫度過高，通常會(huì)導(dǎo)致直流繞線電阻增加和飽和電流限制降低。

電感器電阻

電感線圈的電阻溫度系數(shù)導(dǎo)致電感直流電阻會(huì)隨著溫度變化。線圈通常為銅制，溫度系數(shù)約為 3.9mΩ/℃，計(jì)算其電阻的等式如下：

或相當(dāng)于0.39%/℃變化。

讓我們?cè)倏匆幌翷M3554，評(píng)估套件中指定的電感器是Toko生產(chǎn)的FDSE0312-2R2。在 TA= 25℃時(shí)，測(cè)得的電阻為137mΩ。在 85℃時(shí)，電阻變化 為50℃×0.39%=19.5%(或變?yōu)?64mΩ）。在RMS電感電流為2A且VIN=3.6V時(shí)，電感電阻變化會(huì)導(dǎo)致效率降低約1.5%。

電感器飽和度

或許在高溫狀況下，功率電感最為關(guān)注的問題是額定飽和電流下降。使用較大的RMS電流時(shí)，內(nèi)部功耗導(dǎo)致電感溫度上升，從而降低電感的飽和點(diǎn)。在飽和時(shí)，電感鐵磁核心材料已達(dá)到磁通密度(B(t))，該密度不再隨磁場(chǎng)強(qiáng)度(H(t))成正比增加。相反，當(dāng)飽和時(shí)，由于電感電流增加而引起任何磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，會(huì)導(dǎo)致非常小的磁通密度的增加。

如果在示波器上查看開關(guān)穩(wěn)壓器電感電流，我們會(huì)看到器件進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)，電感電流斜率增加。這相當(dāng)于電感下降。紋波電流的增加將導(dǎo)致 RMS 電流和電感器的開關(guān)損耗增加，這兩項(xiàng)都會(huì)增加電感的功耗并降低效率。

電感器在特定點(diǎn)達(dá)到飽和時(shí)會(huì)產(chǎn)生突然的飽和響應(yīng)，或者會(huì)與 FDSE0312-2R2 電感器一樣產(chǎn)生逐漸的飽和響應(yīng)。然而，電感器制造商通常會(huì)將飽和點(diǎn)指定為既定電流和溫度下電感值的特定百分比跌幅。

圖4描繪了工作在飽和狀態(tài)下電感器的實(shí)例。該例子使用TDK生產(chǎn)的VLS4010-2R2(2.2μH)電感器，在進(jìn)入飽和狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)急劇下降。當(dāng)采用最小閃光脈沖寬度32ms，在升壓模式下LM3554會(huì)顯示出這種效應(yīng)。較窄的脈沖寬度限制了電感器的自熱，從而可以通過調(diào)節(jié)環(huán)境溫度來控制電感器的溫度。

圖 4. 電感器飽和與溫度。

圖4左上圖顯示了在飽和點(diǎn)以下工作的電感器，具有正常的三角電流波形，可由(V/L×Δt)算出。在峰值電流保持相同且溫度升至50℃(右上圖)時(shí)，電感電流斜率開始增至1.76A標(biāo)記附近，指示顯示電感器的飽和點(diǎn)隨著溫度上升而向下移動(dòng)。當(dāng)溫度升到70℃， 然后升到85℃時(shí)，隨著電感器達(dá)到飽和整個(gè)電流波形最終出現(xiàn)。

估算電感溫度(熱阻抗)

各種因素都會(huì)促使電感器的溫度上升。這些因素包括環(huán)境溫度、電感器的熱阻抗和電感器的內(nèi)部功耗。利用電感器的直流電阻隨溫度變化這一特性，我們可以比較準(zhǔn)確地估算電感器的工作溫度。這類似于使用ESD二極管或PFET導(dǎo)通電阻，在此將電感線圈用作內(nèi)部溫度計(jì)。

返回到我們的電感器電阻與溫度對(duì)比的等式中去，通過兩個(gè)溫度下電感器電阻的比率可以用下面的等式算出ΔT：

圖5中所示的測(cè)試示例在LM3554的電路中使用了VLS4010ST-2R2，直流電流階躍為1.65A。室溫時(shí)的電阻開始時(shí)為65mΩ。超過30秒之后，電感器達(dá)到穩(wěn)態(tài)，電阻變?yōu)?3mΩ，相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)工作溫度大約為 56℃。

圖 5. 電感器熱響應(yīng)。

使用熱阻(RT)的定義，可以獲得：

這里要注意的一件事情是電感器的功耗是其線圈電阻的函數(shù)，后者會(huì)隨著溫度發(fā)生變化。因此，需要考慮計(jì)算電感器在給定RT的TF。將RT的等式插入電感電阻與溫度等式并求解TF可以得出：

其中k為。

圖5顯示等效的電感溫度上升與時(shí)間大約具有一階指數(shù)關(guān)系。這再次得出等式：

采用下面等式算出的熱容：

了解閃光LED驅(qū)動(dòng)器示例中的電感熱阻可以提供一些有益的見解。因?yàn)榕c閃光持續(xù)時(shí)間(小于1秒)相比，電感器達(dá)到穩(wěn)定溫度需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，所以采用穩(wěn)態(tài)熱阻估算的滿閃光電流時(shí)的電感器工作溫度，很可能會(huì)過高估算電感器的工作溫度。這可以允許減少在脈沖器件(如閃光LED驅(qū)動(dòng)器，而不是穩(wěn)態(tài)電源)中工作的電感器的尺寸。

總結(jié)

當(dāng)處理功耗相對(duì)較大的器件時(shí)，通常有必要估算電源管理電路的溫度。使用通用熱阻可以很好地比較采用相同封裝的相似器件，但很可能得不到準(zhǔn)確的溫度預(yù)測(cè)。因此，通常有必要采用復(fù)雜的熱計(jì)算或直接測(cè)量熱阻的方法。本文重點(diǎn)介紹了幾種可用于測(cè)量器件的溫度并獲得器件熱阻的示例。知道準(zhǔn)確的器件溫度和器件功耗，從而進(jìn)行熱阻計(jì)算。

在知道熱阻之后，利用器件功耗的逐步變化和監(jiān)控器件溫度可以計(jì)算器件熱容。這樣可以更準(zhǔn)確地估算由于瞬態(tài)熱事件導(dǎo)致的器件溫度。本文中列出的示例是通過使用高電流白光LED#p#分頁標(biāo)題#e#閃光驅(qū)動(dòng)器而完成的，但也同樣適用于其他電源管理器件，包括以脈沖方式工作及專為長(zhǎng)時(shí)間工作而設(shè)計(jì)的器件。