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适用于BLE(Bluetooth Low Energy)电源的功率电感器LQM系列介绍

2019-01-25
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1
什么是BLE?

蓝牙是无线头戴设备、无线耳机等近距离声音通信的手段而普及至今。


BLE是比蓝牙更省电,更方便用于IoT等用途的Bluetooth Low Energy的缩略,并加入蓝牙4.0的规格。


和原来的蓝牙一样,使用2.4GHz频带的电波进行通信,牺牲了原来的蓝牙的一定的传输速度和距离,实现了低消耗功率。


2
推荐BLE用功率电感器

先说结论,此处将为您介绍推荐用于BLE的功率电感器。


0805尺寸的LQM21FN100M80和LQM21PNR47MGH采用了叠层结构的铁氧体磁芯。若需要更小型的产品,推荐在4MHz时使用LQM18PNR47NFR。


表1 推荐用于BLE的功率电感器

内置DC-DC转换器的
开关频率

芯片
尺寸

品名

电感值

1MHz

2012

LQM21FN100M80

10μH


4MHz

2012

LQM21PNR47MGH

0.47μH

1608

LQM18PNR47NFR


0.47μH


为什么推荐用于BLE,接下来进行详细说明。


3
用于BLE的功率电感器需要的特性

BLE IC内置的DC-DC转换器为BLE准备了必要的电压。


这时,要外加电压转换用的功率电感器,此处用到的功率电感器的性能会左右DC-DC转换器的电力转换效率。


BLE因其省电而被重视,而外加电力转换效率较优的功率电感器与BLE的省电性能密切相关。


在此,对适合BLE的功率电感器所需性能进行考察后,为您介绍具体的产品。


4
电感器的不同对BLE电源功效的影响的调查

调查不同电感器对BLE电源效率会有怎样的影响。


这里,关注电感器损耗中的DC损耗和AC损耗。DC损耗是由于流过电感器的电流中的直流成分而引起的损耗,使用直流阻抗(Rdc)和电流的直流成分(Idc)可用以下公式表示。


另一方面,AC损耗主要是由流过电感器的电流中的交流成分引起的损耗,绕线阻抗+磁芯损耗造成了我们看到的交流阻抗(Rac)和电流的交流成分(Irms),可用以下公式表示。


交流成分(Irms)表示电流振幅的大小,可以通过增加开关频率或增加功率电感器的电感值来降低。


截止到2018年今日,BLE IC内置的DC-DC转换器有1MHz和4Mhz两种开关频率。因此,在各个频率下使用电感值为1.5uH和10uH的电感器时,对DC损耗和AC损耗的比例进行了仿真。(图1)


虽然与频率条件等也有关,但功率电感器的Rac比Rdc更大。因此,如图1所示负载电流(=Idc)小至50mA以下的区域,DC损耗变得非常小,AC损耗占了大部分。


图1右下角L:10μH、频率:4MHz的条件下,高L且高频使电流振幅变小,从而抑制了AC损耗,DC损耗的比例增加。尽管如此,BLE的负载电流在10mA左右比较微弱,可以认为AC损耗在整个范围内占主导。


从这个结果来看,为了减少BLE应用中的电感损耗,影响AC损耗的电感值和Rac是重要的参数。


低Rac同时高电感值是最为理想的,但提高电感值会导致绕线阻抗和磁芯损耗的增加。因而,取得电感值和Rac之间的平衡非常重要。对于Rdc,可以认为在DC损耗比较小的BLE环境中影响程度较低。但数值太大的话也不能忽视。

图1 BLE用电源IC的AC损耗/DC损耗的比例


DC-DC转换器的电力损耗的重要原因,除了电感器损耗之外还有IC开关损耗和IC导通损耗等。


BLE用的功率电感器中,电感值的大小可能会影响开关损耗,选型时也需要考虑这一点。


图2是对流经电感器的电流波形进行的仿真。在像BLE这样的低负载下工作时,为了提高电源效率,通常在称为PFM控制(脉冲频率调制)的控制模式下工作。PFM控制通过不连续切换,减少开关次数来提高效率。图2的左图显示了电感值以相同频率变化时的电流波形。


电感值越大,电流振幅越小,但三角波的发生数量增大以匹配总电流量。这意味着开关次数的增加,会导致开关损耗的增加。图2的右图显示了以相同电感值改变频率时的电流波形。频率越高,电流振幅越小,但开关次数会增加。

这样,在PFM控制中,通过增加电感值和频率来降低电流振幅可以减小AD损耗,但也会增加开关损耗。

图2 改变电感值或开关频率时的电流波形


那么,究竟应该使用多少电感值呢?


在图3中,我们对在开关频率为1MHz和4MHz时,改变电感值的电源损耗进行了仿真(以LQM21P-GH系列的特性为基础,根据电感值的变化也改变了Rac并进行计算)。


该图分别显示了电源的总损耗和电感器本身的损耗。


在开关频率低至1MHz的情况下,电感损耗随着电感值的增大而减小,并且总损耗也会减小。另一方面,在4MHz的情况下,电感值越大,电感损耗越低,但总损耗增加。这是由于电感值大导致的开关损耗增加。


对比1MHz,在4MHz的情况下,首先由于开关次数多引起了开关损耗的比例增加,电感值波动使得开关损耗的增加变得更显著。


基于这些结果,对于1MHz,10μH是合适的,对于4MHz,0.47μH到1.0μH是合适的。

图3 电感值和电源损耗之间的关系


5
适用于BLE的电感器的总结

表2和表3显示了适用于BLE的电感器的总结。


如上文所解释的,当开关频率为1MHz时,电感值约为10μH,而当开关频率为4MHz时,电感值在0.47μH至1.0μH较为合适。


在这里虽没有详提,但直流阻抗和磁芯损耗的也有大致的标准,需要具有如表2和表3所示规格的电感器。


表2 当开关频率为1 MHz时推荐的电感器规格


■当开关频率为1 MHz时


当L=10μH以上时,低R磁芯损耗很重要。Rdc的影响很小。  

※具体的电感器举例:LQM21FN100M80


表3 当开关频率为4MHz时推荐的电感器规格


■当开关频率为4MHz时


L=0.47-2.2μH时,低R磁芯损耗很重要。Rdc的影响很小。

※具体的电感器举例:LQM21PNR47MGH、LQM18PNR47NFR


6
选择用于BLE的电感器的性能

上一节中介绍了用于BLE的具体电感器,将其与普通电感器进行一下性能比较。


即使是相同规格的电感器,其结果也会根据直流阻抗和磁性体的不同而改变。首先是开关频率为1MHz时的情况。


在这种情况下,选择多层型电感器LQM21FN100M80作为BLE的电感器。图4显示了将其安装在市售的BLE设备上进行评估的结果。通过使用LQM21FN100M80,可以看到消耗功率在下降。

图4 将开关频率为1MHz的BLE进行消耗功率的比较

工作条件 :Vin=3.30V、Vout=1.68V、FSW=1MHz、Idc=10mA


图5显示了开关频率为4MHz的BLE设备的情况。在这种情况下,使用电感值为0.47μH的LQM21PNR47MGH。通过用具有适当性能的电感器来代替它来成功地降低了功耗。

图5 将开关频率为4MHz的BLE进行消耗功率的比较

工作条件 :Vin=3.30V、Vout=1.80V、FSW=4MHz、Idc=4mA


7
总结

由于用于BLE的功率电感器会影响电源效率,因此它是决定BLE的低功耗特点的关键。


电感器所需的规格取决于BLE中使用的功率IC的开关频率,在1MHz时约为10μH,在4MHz时约为0.47-1.0μH。


但是,即使形状和电感值相同,电源效率因电感器系列而异,也需要选择适合BLE的电感器系列。


这里介绍了适合BLE的功率电感器:(更新信息请点击“阅读原文”了解)

支持1MHz的开关频率:LQM21FN100M80

支持4MHz的开关频率:LQM21PNR47MGH


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