Что означают параметры номинального тока?
Читаем спецификацию правильно

Введение

Несмотря на усилия некоторых компаний, выпускающих пассивные индуктивные компоненты с ферритовыми сердечниками согласно стандартизации, концепция номинального тока этих компонентов продолжает оставаться камнем преткновения в индустрии силовой электроники. По-прежнему существуют разногласия относительно того, как производители должны сообщать об этом параметре и как инженеры-конструкторы могут его использовать. И вообще, является ли этот параметр однозначным? Сопоставляются ли напрямую значения номинального тока катушек индуктивности от разных производителей? Ответа на эти вопросы, к сожалению, нет. Отдельные производители пользуются отсутствием стандартного толкования и, намеренно или нет, не имея четкого представления о методе измерения, предназначенном для получения значений номинального тока, вводят в заблуждение потребителей. Они часто выбирают тот путь подтверждения, который приводит к достижению и демонстрации результатов, благоприятных для их продукта.

Проблема здесь в том, что в диапазоне температур электрические параметры, такие как индуктивность и, следовательно, магнитное насыщение, могут значительно изменяться. Соответственно, рабочая температура силовой катушки индуктивности (силового дросселя или катушки фильтра в цепи питания) — это важный параметр для любого применения. Рабочая температура катушки индуктивности в настройках приложения определяется ее самонагревом и температурой окружающей среды, как это описывает формула:

T = T_Amb+ΔT,                     (1)

где T — рабочая температура катушки индуктивности; T_Amb — температура окружающей среды, а ΔT — самонагрев катушки, например, силового дросселя DC/DC-преобразователя.

Самонагрев является результатом тепла, выделяемого вследствие электрических потерь в катушке. В таких приложениях, как импульсные преобразователи, потери в силовых дросселях вызваны как постоянным, так и переменным током и в большой степени зависят от условий работы преобразователя, в том числе от частоты преобразования и рабочего цикла. Чтобы упростить испытание в части тепловыделения, самонагрев дросселя измеряется с учетом только потерь постоянного тока в обмотке, как это показывает нам формула:

P_DCLoss = I²R_DC,                   (2)

где P_DCLoss — потери в обмотке катушки индуктивности, Вт; I — ток через обмотку, А; R_DC — сопротивление обмотки по постоянному току, Ом. Из формулы (2) понятно, что катушки индуктивности, имеющие обмотки с более высоким значением R_DC (в некоторых спецификациях указывается как R_DC), при одном и том же токе будут согласно известному нам еще со школьной парты закону Джоуля — Ленца генерировать большее количество тепла в единицу времени.

Тепло, образующееся из-за потерь в обмотке, через контактные площадки для пайки проходит к дорожке печатной платы, а также к сердечнику, где рассеивается посредством конвекции и излучения в окружающую среду (как правило, в воздух). Когда через катушку индуктивности проходит ток, ее температура повышается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие между тепловыделением и отводом тепла, то есть тепловое равновесие. Способность катушки рассеивать тепло определяется тепловым сопротивлением компонента, которое описывает следующая формула:

θ_WA = ΔT/P_DCLoss,                  (3)

где θ_WA — тепловое сопротивление обмотки к окружающей среде. Хотя эта формула упрощена и учитывает только постоянный ток, она все же дает важную информацию о том, насколько хорошо катушка индуктивности может рассеивать тепло.

Более подробную информацию о конечном приложении можно получить с помощью REDEXPERT, онлайн-инструмента компании Wurth Elektronik eiSos (далее — Wurth Elektronik), который точно рассчитывает потери и повышение температуры при конкретных условиях функционирования преобразователя [3]. Для работы с ним потребуется обычная регистрация и принятие условий использования. Описание инструмента и пример применения приведены в [4, 5].

Однако на этом этапе наша задача — уточнить терминологию и принципы, касающиеся электрических и тепловых параметров. Получение тепловых параметров происходило во многом так же, как и электрических параметров, согласно закону Ома (4) и закону охлаждения Ньютона (5). Кстати, в русскоязычной литературе закон охлаждения Ньютона (Newton’s law of cooling) больше известен как закон Ньютона — Рихмана — эмпирическая закономерность, выражающая тепловой поток между разными телами через температурный напор. По этой причине можно провести аналогии между электрическими и тепловыми параметрами (рис. 1):

Рис. 1. Визуальное представление закона Ома и закона охлаждения Ньютона

DV = IR,                          (4)

DT = Qq.                          (5)

Тепло течет по теплопроводным путям, как электрический ток течет по электропроводящим путям. Поэтому тепловыделение обычно представляется как источник тока. Аналогично падению напряжения в проводнике величина тока, который может протекать, ограничивается проводящими/резистивными свойствами материала, поперечным сечением, через которое он протекает, и длиной пути. Это в равной степени верно и для разницы температур между двумя теплопроводными путями. При рассмотрении простой модели катушки индуктивности можно заметить два пути передачи тепла: через обмотку к контактной площадке и через сердечник к внешней его поверхности, как показано на рис. 2, где θ_WC — это тепловое сопротивление обмотки к поверхности сердечника, а θ_WP — тепловое сопротивление обмотки к контактной площадке.

Рис. 2. Визуализация путей теплопередачи в упрощенном силовом индукторе (проводимость через контактные площадки разделена между контактными площадками θWP1 и θWP2)

Однако есть то, что играет дополнительную роль, — это термическая эффективность среды. Чем ниже температура окружающей среды, тем больше перепад температур и тем сильнее тепловой поток. Для катушки индуктивности, установленной на печатной плате, площадь поверхности сердечника и размер дорожки на печатной плате представляют собой тепловые сопротивления, которые соединяют тепловую цепь для тепловой передачи в окружающую среду. Таким образом, можно определить полную, но упрощенную тепловую модель катушки индуктивности, используемой в качестве силового дросселя. Модель показана на рис. 3. Здесь окружающая среда представлена в виде теплового заземления.

Рис. 3. Эквивалентная тепловая модель силового дросселя

На рис. 3 θ_CA — тепловое сопротивление поверхность сердечника — окружающая среда; θ_PT — контактная площадка для определения теплового сопротивления, а θ_TA — оценка теплового сопротивления окружающей среды. Предложенная эквивалентная тепловая схема демонстрирует, что мы, по сути, имеем параллельные резисторы и несколько делителей напряжения. Если одно значение сопротивления изменится, поток тепла («ток») также изменится, что приведет к изменению температуры («напряжения») в разных частях цепи.

Если рассмотреть возможность увеличить размер дросселя, сохраняя все остальные параметры одинаковыми, это значительно уменьшит θ_CA, что приведет к большему количеству тепла, поступающему от обмотки через сердечник в окружающую среду (воздух), и меньшему через контактную площадку к дорожке и окружающей среде. Действительно, это то, что обычно наблюдается с дросселями большой мощности, передающими больше тепла воздуху, тогда как катушки индуктивности меньшего размера с меньшей площадью поверхности большую часть тепла отдают печатной плате.

Теперь рассмотрим увеличение толщины провода обмотки, что означает снижение теплового сопротивления от обмотки к дорожке. То есть меньшая часть тепла будет течь от обмотки к поверхности сердечника, а бóльшая — к дорожке печатной платы. Такое поведение обычно наблюдается в мощных дросселях с большим током, в которых используется обмотка проводом большего сечения. Следовательно, наличие более толстой проволоки не только снижает самонагрев, но и увеличивает теплоотдачу в окружающую среду.

Оба приведенных выше варианта в итоге способствуют оттоку тепла от обмотки в окружающую среду, что уменьшает самонагрев катушки. Это означает, что они могут работать при более высоких токах, чем катушки индуктивности меньшего размера, в которых используется провод меньшего диаметра.

Как измеряется номинальный ток катушки индуктивности?

Если подходить к решению этой задачи упрощенно, то метод измерения предусматривает пропускание постоянного тока через обмотку катушки, измерение ее самой горячей части, ожидание стабилизации температуры и затем фиксацию разницы температуры катушки относительно температуры окружающей среды. Постоянный ток начинается с низкого уровня и увеличивается с каждым достигнутым зафиксированным стабилизированным повышением температуры, что в итоге приводит нас к графику зависимости температуры от тока. Однако на конечный результат измерения могут значительно повлиять особенности методики измерения.

Рассмотрим возможность включения принудительного воздушного потока (конвекции) над катушкой. Это уменьшит θ_CA, увеличивая количество тепла, которое может рассеиваться, что в свою очередь повышает номинальный ток катушки. Действительно, некоторые производители могут специально не отмечать, используется ли какой-либо воздушный поток, оставляя место для сомнений, если для сопоставимых катушек, изготовленных другими производителями и имеющих меньшие значения тока, ими заявлены более высокие значения номинального тока.

Еще один фактор, влияющий на результат измерения повышения температуры катушки индуктивности, — размеры дорожек печатной платы, используемых для ее подключения. Как мы видели на примере обмотки, большая площадь поперечного сечения проводника снижает тепловое сопротивление. То же самое и с размерами печатных проводников платы для подключения катушки. Более широкие проводники или увеличенная толщина меди уменьшат значение θ_PT и приведут к увеличению потока кондукторного тепла от катушки. Это также уменьшает и значение θ_TA, поскольку большая площадь поверхности дорожки тоже повышает конвекцию тепла и излучение в окружающую среду. Опять же, данная информация может быть не указана в таблицах спецификации, оставляя инженеров‑проектировщиков в раздумьях при самостоятельном разгадывании этого ребуса.

Что означают для номинального тока разные подходы к измерению?

Как мы видим, значениями номинального тока можно управлять таким образом, чтобы они имели потенциально замечательные тепловые и рабочие характеристики. Но это также означает, что инженер-конструктор, выбирая компоненты, использует несопоставимые данные.

Несколько десятилетий назад с этой дилеммой столкнулась полупроводниковая промышленность, когда инженерам-разработчикам становилось все труднее напрямую сравнивать интегральные схемы (ИС). По этой причине ассоциации, такие как Объединенный совет по проектированию электронных устройств (Joint Electron Device Engineering Council, JEDEC), начали стандартизировать процедуры измерения и форму отчетов о тепловых характеристиках. Стандартизация принесла прозрачность и сопоставимость. Важным достижением стала невозможность искусственно изменить тепловые характеристики для использования их в качестве маркетингового хода. Однако из-за разнообразия форм силовых катушек индуктивности потребовалось несколько лет, прежде чем стала очевидной необходимость стандартизации их номинального тока.

Как измеряет номинальный ток силовых дросселей компания Wurth Elektronik?

Компания Wurth Elektronik, раскрывая используемые процедуры измерения и сообщая данные о номинальном токе I_R и повышении температуры силовых дросселей, стремится быть прозрачной и честной перед потребителями ее продуктов. Используемый ею метод основан на разделе 6 стандарта IEC 62024-2:2020 “High frequency inductive components — Electrical characteristic sand measuring methods — Part 2: Rated current of inductors for DC-to-DC converters” («Составляющие высокочастотные индуктивные. Электрические характеристики и методы измерения. Часть 2. Номинальный ток индукторов для преобразователей постоянного тока», аналога типа ГОСТ или ГОСТ Р не имеет). Тестовая печатная плата находится в коробке размерами примерно 20×20 см. Причем напрямую с коробкой плата не контактирует, так что для нее и установленного на ней компонента есть только естественная конвекция без принудительного обдува. В отличие от стандартного измерения компания Wurth Elektronik вместо термопары [2] использует инфракрасную камеру — тепловизор. Это сделано во избежание ошибки измерения, вызванной влиянием термопары. Таким образом, измеряется самая горячая, внешняя область магнитопровода. Для этого через образец пропускают ток, а температура стабилизируется до скорости изменений менее чем на 1 °C/мин.

Рис. 4. Схемы печатных плат, используемых для измерения номинального тока

Из-за широкого диапазона размеров и типов конструкций силовых дросселей в номенклатуре компании Wurth Elektronik предусмотрено несколько печатных плат, но в основном они соответствуют требованиям раздела 6.3 стандарта. Образцы плат приведены на рис. 4. Для печатных плат по IEC I_{Class A} ширина дорожки зависит от номинального тока (табл. 1).

Независимо от используемой печатной платы следует учитывать, какие значения номинального тока на самом деле представлены в таблицах спецификаций. Эти значения не являются абсолютными и могут применяться к любому приложению. Они дают лишь приблизительное представление о диапазоне тока, в котором катушка может работать, и служат ориентиром для сравнения с параметрами других силовых дросселей. На тепловые характеристики силового дросселя влияет так много факторов, что охарактеризовать его поведение в конечном приложении невозможно [5, 6]. Здесь квалификация разработчика и точное знание техники измерения становятся чрезвычайно полезными. Когда все параметры известны, то значениями номинального тока невозможно манипулировать, что позволяет производителям быть прозрачными и последовательными, избегая маркетинговых уловок в представлении номинального тока.

Сравнение катушек индуктивности

Далее в статье будет проведено сравнение силового дросселя компании Wurth Elektronik eiSos из семейства продуктов WE-LHMI (744 373 460 68) [7] с дросселем аналогичной конструкции от конкурента, а также силового дросселя от конкурента с сопоставимой по характеристикам катушкой индуктивности серии WE-XHMI (744 393 46 100) [8]. Внешний вид обоих вариантов дросселей показан на рис. 5.

Рис. 5. Силовые дроссели компании Wurth Elektronik eiSos серий:
а) WE-LHMI;
б) WE-XHMI

Интересно, что в обоих случаях компоненты конкурентов имеют более высокие заявленные номинальные токи, указанные в их спецификациях, хотя и имеют сопоставимое или более высокое значение R_DC, чем компоненты компании Wurth Elektronik (табл. 2).

Номинальный ток обеих катушек индуктивности был измерен и сравнен с использованием измерительной установки согласно требованиям стандарта IEC 62024-2:2020. Для каждого сравнительного измерения использовалась одна и та же измерительная установка, один и тот же метод контакта и один и тот же тип измерительной платы. WE-LHMI и его конкурент испытывались на плате I_{Class C}, а WE-XHMI и конкурент — на I_Class D.

Температура обеих катушек, как уже было сказано ранее, измерялась тепловизорной камерой. К тестовым платам подавали постоянный ток до тех пор, пока температура не достигла +65 °C, что на 40 °C выше температуры окружающей среды, принятой как +25 °C. Результаты измерений приведены на рис. 6.

Рис. 6. Тепловизионные изображения:
а) дросселя WE-LHMI 744 373460 68 (вверху) и его конкурента 7030 (внизу);
б) досселя WE-XHMI 744393 46100 (вверху) и конкурента 6060 (внизу)

Несмотря на более высокое значение номинального тока, указанного в спецификации, катушка конкурента 7030 имела более низкий ток до заданной точки нагрева, равный 4,4 А. По сравнению с ним дроссель WE-LHMI измеренным на той же печатной плате I_{Class C} показал ток 4,45 А (рис. 7). При этом дроссель WE-XHMI при измерении на печатной плате I_{Class D} по сравнению 6,6 А конкурирующей катушки 6060 имел значения тока нагрева 6,4 А (рис. 8).

Рис. 7. Сравнение самонагрева дросселя WE-LHMI 744373460 68 (красный) с его конкурентом 7030 (черный)

Рис. 8. Сравнение самонагрева дросселя WE-XHMI 744393 46100 (красный) с конкурентом 6060 (черный)

Разработчику необходимо учитывать и тот факт, что небольшие отклонения в кривой самонагрева могут быть вызваны производственными допусками компонентов, особенно в части R_DC. Они могут иметь место даже при сравнении катушек одной и той же конструкции из одной серии от одного и того же производителя. Так, для дросселя WE-LHMI (744 373460 68) типовое значение R_DC составляет 54 мОм, а максимальное — 60 мОм.

Это приводит нас к вопросу о том, как производители достигли подобного уровня рассеивания тепла. Для этого могут использоваться не указанные в спецификациях толстые/широкие шины подключения, радиаторы и принудительная конвекция, о чем следует помнить при сравнении номинальных значений тока и выборе деталей для прототипирования. Кроме общих технических характеристик, выбор компонентов, схемотехнического и конструктивного решений оказывает влияние и на такой важный фактор, как электромагнитная совместимость (ЭМС), особенно это касается DC/DC-преобразователей [9], напрямую зависящих от силового дросселя [6] и поведения катушек индуктивности входных/выходных фильтров [10].

Номинальный ток рабочих характеристик

Согласно стандарту IEC 62024-2:2020, в техническое описание или спецификацию некоторых силовых дросселей может быть включен дополнительный номинальный ток, указанный как номинальный ток рабочих характеристик I_RP (Performance Rated Current), который иногда называют «ток производительности». Это номинальный ток катушки индуктивности, измеренный на печатной плате I_{Class C} или I_Class D. Кто-то может возразить: зачем использовать печатные платы I_Class C и I_{Class D} для проверки номинального тока? Как уже говорилось, увеличение площади и толщины печатной платы повышает рассеивание тепла, что приводит к более высоким допустимым значениям номинального тока. По сути, большая площадь шины подключения и более толстый слой печатного проводника должны воспроизвести эффекты при использовании многослойных плат, радиаторов и принудительной конвекции, которые все чаще применяются инженерами — разработчиками систем электропитания. Это особенно заметно при проектировании автомобильного оборудования и блоков электроники в электромобилях.

С этой целью рассмотрим дроссель WE-LHMI (744 373460 68) с номинальным током 3,4 A и номинальным током производительности 4,45 A. Графики зависимости токов от температуры приведены на рис. 9 в виде кривых «а» и «б». Они были получены на платах версии компании WE и I_Class C. Тепловые измерения представлены на рис. 10a,б соответственно. Использование дросселя с подключением печатным проводником шириной 5 мм при номинальном токе приводит к повышению температуры на 49 К (кривая «б» на рис. 9 и тепловое изображение на рис. 10б). Как можно видеть, все находится в пределах допустимой рабочей температуры дросселя WE-LHMI (744 373460 68). Согласно спецификации, температура окружающей среды (относительно I_R) –40…+85 °C, рабочая температура –40…+125 °C. Если приложение включает принудительную конвекцию по причинам управления температурой, один и тот же компонент на той же печатной плате при том же токе покажет повышение температуры на 19,5 K (кривая «в» на рис. 9 и рис. 10в). Когда номинальный ток 4,45 А был приложен к дросселю, установленному на проводниках шириной 5 мм с принудительным охлаждением печатной платы, повышение температуры составило 34 К.

Рис. 9. Сравнение самонагрева дросселя WE-LHMI 744 373 460 68 на разных печатных платах и в разных условиях

На рис. 9 указаны:

• I_R— рабочий ток дросселя WE-LHMI, измеренный на печатной плате WE;
• I_RP— ток дросселя WE-LHMI, измеренный на печатной плате I_{Class C};
• 5 мм — ток дросселя WE-LHMI, измеренный на плате при ширине дорожки 5 мм;
• 5 мм (принудительная конвекция) — ток дросселя WE-LHMI, измеренный на печатной плате при ширине дорожки 5 мм с принудительной конвекцией;
• I_SAT— ток насыщения магнитного сердечника дросселя WE-LHMI постоянным током.

Рис. 10. Тепловизорные изображения дросселя WE-LHMI 744 373460 68, полученные на различных печатных платах и при разных условиях

Проведенное сравнение демонстрирует то, как параметр номинального тока рабочих характеристик I_RP имитирует условия применения, в которых реализуются те или иные методы терморегулирования. Действительно, в отдельных сценариях катушка индуктивности может работать при еще более высоких токах, если, конечно, они ниже тока падения индуктивности I_SAT, разрешенного конкретным приложением. Это демонстрирует и то, что I_R и I_RP являются величинами, предназначенными для сравнения и руководства при выборе катушек индуктивности перед созданием прототипа.

Следует помнить, что это основные параметры, учитывающие только постоянный ток силового дросселя преобразователя или катушки индуктивности фильтра, без дополнительных тепловыделяющих элементов, расположенных на печатной плате, о чем часто забывают и помнят лишь о температуре окружающей среды конечного изделия, а не о температуре вокруг конкретного компонента внутри изделия. Что касается катушек индуктивности, в реальных условиях для них также необходимо учитывать потери переменного тока [4] и, как уже было сказано, тепловое воздействие окружающих компонентов. Помните, что фактическое повышение температуры, наблюдаемое в конечных приложениях, будет значительно варьироваться в зависимости от комплексного влияния всех факторов конкретных условий применения.

Заключение

Значения номинального тока, указанные в технических паспортах, служат руководством при выборе силовых дросселей и катушек индуктивности фильтров. Однако на повышение температуры в силовых индукторах могут влиять многие факторы, не всегда отмеченные в таблицах спецификаций всеми производителями, — это создает ложное представление о том, что на самом деле представляют собой значения номинального тока.

Измерение и сравнение аналогичных деталей от нескольких изготовителей показывает, что, несмотря на большие различия в номинальных токах в таблицах данных, их характеристики могут быть очень похожими при использовании стандарта IEC 62024-2:2020 для определения номинального тока. Сравнение поведения одного индуктора в различных условиях демонстрирует, как параметры I_R и рабочие характеристики I_RP могут быть использованы для измерения рабочих характеристик индуктора в условиях конкретного применения.

Компания Wurth Elektronik eiSos, одна из первых внедрившая стандарт IEC 62024-2:2020, привносит новый уровень доверия и прозрачности в расчетные значения тока силовых дросселей и катушек индуктивности фильтров, не прибегая ни к каким формам сознательной или бессознательной манипуляции или неправильной интерпретации характеристик компонентов во время измерений или составления отчетов.