การเข้าใจค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำจะช่วยให้คุณเลือกใช้ส่วนประกอบได้ดีขึ้น และหลีกเลี่ยงการสูญเสียพลังงาน ความร้อน และประสิทธิภาพวงจรที่ไม่เสถียรโดยไม่จำเป็น ตรวจสอบค่า DCR ร่วมกับค่าความเหนี่ยวนำ อัตรากระแส ขนาดบรรจุภัณฑ์ และสภาวะการทำงาน เพื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำที่เหมาะสมกับการออกแบบของคุณ

DCR ในตัวเหนี่ยวนำหมายถึงอะไร?

DCR (ความต้านทานกระแสตรง) คือความต้านทานภายในของขดลวดตัวเหนี่ยวนำเมื่อกระแสตรง (DC) ไหลผ่าน ตัวเหนี่ยวนำทุกตัวจะมีค่า DCR เพราะขดลวดทำจากลวดตัวนำ ซึ่งโดยทั่วไปคือทองแดง ค่า DCR วัดได้ในหน่วยโอห์ม (Ω) หรือมิลลิโอห์ม (mΩ) และระบุไว้ในเอกสารข้อมูลจำเพาะของตัวเหนี่ยวนำ

ตัวเหนี่ยวนำในอุดมคติจะมีค่าความต้านทานเป็นศูนย์แต่ตัวเหนี่ยวนำจริงจะมีค่าความต้านทานอยู่บ้างเสมอเนื่องจากลวดที่ใช้ทำขดลวด ความต้านทานของขดลวดนี้เรียกว่า DCR (Dynamic Resistance Resistance)

ค่า DCR ส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการออกแบบขดลวดและวัสดุ ซึ่งรวมถึง:

ความยาวของสายไฟ– สายไฟที่ยาวขึ้นจะเพิ่มค่า DCR

เส้นผ่านศูนย์กลางของลวด– ลวดที่หนาขึ้นจะทำให้ค่า DCR ลดลง

จำนวนรอบ– โดยทั่วไปแล้ว จำนวนรอบที่มากขึ้นจะทำให้ค่า DCR เพิ่มขึ้น

วัสดุตัวนำ– ทองแดงมีความต้านทานต่ำกว่าอะลูมิเนียม

DCR แตกต่างจากค่าความเหนี่ยวนำ ค่าความเหนี่ยวนำ (H) กำหนดว่าตัวเหนี่ยวนำจะต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสได้มากน้อยเพียงใด ในขณะที่ DCR (Ω หรือ mΩ) อธิบายเฉพาะความต้านทานกระแสตรงของขดลวดเท่านั้น ทั้งสองค่าเป็นข้อมูลจำเพาะที่สำคัญซึ่งพบได้ในเอกสารข้อมูลของตัวเหนี่ยวนำ

ปัจจัยที่กำหนดค่าความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ

สำหรับขดลวดทองแดง สามารถประมาณค่า DCR ที่อุณหภูมิอื่นได้โดยใช้สูตร:

DCR(T)=DCR(25∘C)×[1+0.00393(T−25∘C)]

ที่ไหน:

• DCR(T) = ค่า DCR โดยประมาณที่อุณหภูมิ

• DCR(25°C) = ค่า DCR ที่วัดหรือระบุไว้ที่อุณหภูมิ 25°C

• T = อุณหภูมิการพันขดลวดในหน่วย °C

• 0.00393/°C = ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิโดยประมาณของความต้านทานสำหรับทองแดงที่อุณหภูมิใกล้เคียงอุณหภูมิห้อง

ตัวอย่างเช่น หากตัวเหนี่ยวนำมีค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) เท่ากับ0.10 โอห์ม ที่อุณหภูมิ 25°C ค่าความต้านทานกระแสตรงโดยประมาณที่อุณหภูมิ 100°C คือ:

DCR(100°C)=0.10×[1+0.00393×(100−25)]=0.1295 Ω

ดังนั้นค่า DCR จึงเพิ่มขึ้นจาก0.10 Ω เป็นประมาณ 0.1295 Ω หรือประมาณ29.5 %

หมายเหตุเกี่ยวกับความแม่นยำ: สูตรนี้เหมาะสมสำหรับการพันขดลวดทองแดงเป็นการประมาณค่าในทางปฏิบัติ สำหรับการคำนวณที่แม่นยำในช่วงอุณหภูมิที่กว้างขึ้น ให้ใช้ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิและเงื่อนไข DCR ที่ระบุไว้ในเอกสารข้อมูลของผู้ผลิต

ค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำส่งผลต่อประสิทธิภาพของตัวแปลงอย่างไร

ค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ส่งผลต่อประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำในวงจรแปลงกระแสไฟฟ้า โดยทำให้เกิดแรงดันตก การสูญเสียพลังงาน และความร้อน นอกจากนี้ยังอาจส่งผลต่อการตรวจจับกระแสและประสิทธิภาพการทำงานที่ความถี่สูง อย่างไรก็ตาม ควรพิจารณาค่า DCR ร่วมกับค่าความเหนี่ยวนำ ความถี่ในการสวิตช์ พิกัดกระแส และสภาวะการทำงานด้วย

แรงดันตก

DCR ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมขดลวดเหนี่ยวนำเมื่อกระแสไหลผ่าน ค่า DCR ที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมากขึ้น สามารถประมาณค่าแรงดันตกคร่อมกระแสตรงได้โดยใช้สูตร:

V_DCR = I_AVG × DCR

โดยที่I_AVGคือกระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำ

ความสามารถในปัจจุบัน

ค่า DCR มีผลต่อพิกัดกระแสความร้อนของตัวเหนี่ยวนำ หรือ I _rmsเนื่องจากความต้านทานที่สูงขึ้นจะทำให้เกิดความร้อนมากขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่าน โดยทั่วไปแล้ว ค่า DCR ที่ต่ำกว่าจะเหมาะสมกว่าในวงจรแปลงกระแสสูง เนื่องจากช่วยลดการสูญเสียในขดลวดและการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิ

อย่างไรก็ตาม ค่า DCR ไม่ได้กำหนดกระแสอิ่มตัวหรือ I _sat ของตัวเหนี่ยวนำโดยตรง กระแสอิ่มตัวขึ้นอยู่กับแกนแม่เหล็ก จำนวนรอบ ช่องว่างอากาศ และการออกแบบตัวเหนี่ยวนำโดยรวมเป็นหลัก

การตอบสนองชั่วคราว

DCR อาจส่งผลต่อการสูญเสียและการหน่วงของตัวแปลง แต่ไม่ใช่ปัจจัยหลักที่ควบคุมการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลัน วงจรควบคุมของตัวแปลง ค่าเหนี่ยวนำ ความถี่ในการสวิตช์ และความจุเอาต์พุต มีอิทธิพลมากกว่าต่อความเร็วในการตอบสนองของวงจรต่อการเปลี่ยนแปลงกระแสโหลดอย่างกะทันหัน

ปัจจัยคิว

ค่า DCR มีส่วนทำให้เกิดความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำ แต่ค่า Q ไม่ควรประเมินโดยใช้ค่า DCR เพียงอย่างเดียว ที่ความถี่ใช้งาน ตัวเหนี่ยวนำยังมีค่าความต้านทานกระแสสลับที่เกิดจากการสูญเสียที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้น ควรใช้ ค่าความต้านทานกระแสสลับที่ความถี่ใช้งานในการประเมินค่า Q โดยเฉพาะในวงจร RF วงจรเรโซแนนซ์ และวงจรกรอง

กระแสระลอกคลื่น

DCR ไม่ใช่ปัจจัยหลักที่กำหนดกระแสริปเปิลของตัวเหนี่ยวนำ กระแสริปเปิลส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับค่าความเหนี่ยวนำ ความถี่ในการสวิตช์ แรงดันไฟฟ้าขาเข้า แรงดันไฟฟ้าขาออก รอบการทำงาน และโครงสร้างของตัวแปลงDCR ส่วนใหญ่จะเพิ่มการสูญเสียความต้านทานและสามารถช่วยลดการสั่นสะเทือนในวงจรได้บ้าง

การตรวจจับกระแส DCR

ตัวแปลง DC-DC บางตัวใช้ค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำในการตรวจจับกระแสโดยไม่ต้องเพิ่มตัวต้านทานตรวจจับกระแสแยกต่างหาก สามารถออกแบบวงจรตรวจจับ RC โดยใช้ความสัมพันธ์ดังนี้:

R_S × C_S = L / DCR

โดยที่ R _Sและ C _Sคือตัวต้านทานและตัวเก็บประจุสำหรับตรวจจับ และ L คือค่าความเหนี่ยวนำ

เนื่องจากค่า DCR จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของขดลวดเหนี่ยวนำสูงขึ้น การตรวจวัดกระแสด้วยวิธี DCR จึงอาจเกิดข้อผิดพลาดในการวัดได้ ดังนั้น การออกแบบที่ต้องการการวัดกระแสที่แม่นยำอาจต้องใช้การชดเชยอุณหภูมิ

ประสิทธิภาพของตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า

DCR ส่งผลให้เกิดการสูญเสียการนำไฟฟ้า แรงดันตก และความร้อนในตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้า DCR ที่มากเกินไปอาจลดประสิทธิภาพและเพิ่มการสูญเสียแรงดันไฟฟ้าที่กระแสสูง การเลือก DCR ที่เหมาะสมจะช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพทางความร้อนและประสิทธิภาพโดยรวมของตัวแปลง

การสูญเสียพลังงาน ความร้อน และประสิทธิภาพของตัวเหนี่ยวนำ DCR

ค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำทำให้เกิดการสูญเสียทองแดง เนื่องจากกระแสที่ไหลผ่านขดลวดสร้างความร้อน สำหรับการใช้งานในวงจรแปลงพลังงาน ควรคำนวณการสูญเสียทองแดงโดยใช้กระแส RMS ของตัวเหนี่ยวนำและค่า DCR ที่อุณหภูมิขดลวดจริง ไม่ใช่เพียงแค่กระแสเฉลี่ยและค่า DCR ที่อุณหภูมิห้องเท่านั้น

การสูญเสียทองแดงคือ:

P_DCR=I_L,RMS²⁢R_DCR(T)

• P_DCR = การสูญเสียทองแดงในหน่วยวัตต์

• I_L,RMS2 = กระแสเหนี่ยวนำ RMS

• R_DCR (T) = ค่าความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำที่อุณหภูมิขดลวด

สำหรับรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าที่มีระลอกคลื่นรูปสามเหลี่ยม สามารถประมาณค่ากระแสเหนี่ยวนำ RMS ได้ดังนี้:

•I²_L,_AVG= กระแสเฉลี่ยของตัวเหนี่ยวนำ

•ΔI_L,PP= กระแสริปเปิลพีคต่อพีค

ค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ที่ปรับตามอุณหภูมิสำหรับขดลวดทองแดงสามารถประมาณได้ดังนี้:

R _DCR (T)=R _DCR (25°C) [1+0.00393(T−25)]

เมื่ออุณหภูมิของขดลวดสูงขึ้น ค่า DCR ก็จะเพิ่มขึ้น ซึ่งส่งผลให้การสูญเสียในทองแดงสูงขึ้น การใช้กระแส RMS และค่า DCR ที่ปรับตามอุณหภูมิ จึงให้ค่าประมาณการสูญเสียจากการนำไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำในวงจรแปลงไฟแบบสวิตชิ่งที่สมจริงยิ่งขึ้น

เทียบกับ DCR เทียบกับค่าเหนี่ยวนำ เทียบกับค่าความต้านทานกระแสสลับ

รูปที่ 3. อิมพีแดนซ์เทียบกับความถี่

DCR, ค่าเหนี่ยวนำ และความต้านทานกระแสสลับ อธิบายถึงคุณลักษณะที่แตกต่างกันของตัวเหนี่ยวนำ

DCR คือค่าความต้านทานของขดลวดเหนี่ยวนำที่วัดภายใต้สภาวะกระแสตรง โดยค่านี้ขึ้นอยู่กับวัสดุที่ใช้ทำขดลวด ขนาดของลวด ความยาวของขดลวด และอุณหภูมิเป็นหลัก

ค่าความเหนี่ยวนำอธิบายถึงความสามารถของตัวเหนี่ยวนำในการเก็บพลังงานในสนามแม่เหล็กและต้านทานการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้า โดยมีหน่วยวัดเป็น H, mH หรือ µH

ความต้านทานกระแสสลับ (AC resistance) คือความต้านทานที่มีประสิทธิภาพ ณ ความถี่กระแสสลับหรือความถี่สวิตช์ที่กำหนด ซึ่งรวมถึงการสูญเสียในขดลวดและแกนที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นจึงอาจสูงกว่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) นอกจากนี้ยังอาจแสดงในรูปของESR หรือความต้านทานอนุกรมเทียบเท่า (Equivalent series resistance ) ESR ไม่ได้จำกัดเฉพาะตัวเก็บประจุเท่านั้น

DCR และความต้านทานกระแสสลับไม่เหมือนกัน DCR หมายถึงความต้านทานของขดลวดกระแสตรง ในขณะที่ความต้านทานกระแสสลับหรือ ESR หมายถึงการสูญเสียที่มีประสิทธิภาพที่ความถี่ในการทำงาน

ค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำที่ต่ำกว่านั้นดีกว่าเสมอไปหรือไม่?

โดยทั่วไปแล้ว ค่า DCR ที่ต่ำกว่าจะเป็นประโยชน์ เพราะช่วยลดการสูญเสียในขดลวด แรงดันตก และความร้อน ซึ่งสามารถปรับปรุงประสิทธิภาพได้ โดยเฉพาะในตัวแปลงกระแสสูง

อย่างไรก็ตาม ค่า DCR ที่ต่ำกว่าไม่ได้หมายความว่าดีกว่าเสมอไปควรเปรียบเทียบค่า DCR ของตัวเหนี่ยวนำเฉพาะระหว่างชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติคล้ายคลึงกันเท่านั้น:

• ค่าความเหนี่ยวนำ
• ขนาดบรรจุภัณฑ์หรือขนาดทางกายภาพ
• อัตรากระแส RMS
• กระแสอิ่มตัวและพฤติกรรมเมื่ออิ่มตัว
• ประเภทแกนและโครงสร้าง
• อุณหภูมิในการทดสอบ

ชิ้นส่วนที่มีค่า DCR ต่ำกว่า อาจมีค่าความเหนี่ยวนำ ความสามารถในการรับกระแส ประสิทธิภาพการทำงานที่จุดอิ่มตัว หรือขนาดบรรจุภัณฑ์ที่แตกต่างกัน ดังนั้นการเปรียบเทียบค่า DCR เพียงอย่างเดียวจึงอาจทำให้เข้าใจผิดได้

การเปรียบเทียบ DCR ต่ำกับ DCR สูง

ตัวเหนี่ยวนำที่ดีที่สุดไม่ได้หมายความว่าต้องเป็นตัวที่มีค่า DCR ต่ำที่สุดเท่านั้น แต่ควรมีคุณสมบัติตรงตามข้อกำหนดด้านค่าความเหนี่ยวนำ กระแส RMS กระแสอิ่มตัว ขีดจำกัดด้านอุณหภูมิ ขนาดบรรจุภัณฑ์ และสภาวะการทำงาน ในขณะเดียวกันก็ต้องรักษาค่า DCR ให้ต่ำพอที่จะทำให้เกิดการสูญเสียและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นในระดับที่ยอมรับได้

วิธีการวัดค่าความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ

ค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำสามารถวัดได้โดยใช้มัลติมิเตอร์ดิจิทัล เครื่องวัด LCR ​​หรือการวัดความต้านทานแบบสี่สาย วิธีที่ถูกต้องนั้นขึ้นอยู่กับค่า DCR ที่คาดหวังและความแม่นยำที่ต้องการเป็นหลัก

การวัดค่า DCR ด้วยมัลติมิเตอร์ดิจิทัล

ตั้งค่ามัลติมิเตอร์ดิจิทัลไปที่ โหมด ความต้านทาน (Ω) และเชื่อมต่อโพรบเข้ากับขั้วของตัวเหนี่ยวนำ มัลติมิเตอร์ดิจิทัลมาตรฐานเหมาะสำหรับค่าความต้านทานที่ค่อนข้างสูง แต่ไม่เหมาะสำหรับการวัดค่า DCR ที่แม่นยำในระดับมิลลิโอห์มความต้านทานของสายวัดและหน้าสัมผัสอาจมีค่ามากเมื่อเทียบกับค่า DCR จริง เพื่อผลลัพธ์ที่ดีขึ้น ให้ถอดตัวเหนี่ยวนำออกจากวงจรและตรวจสอบหรือชดเชยความต้านทานของสายวัดก่อนทำการวัด

การวัดค่า DCR ด้วยเครื่องวัด LCR

เครื่องวัด LCR ​​สามารถวัดค่าความเหนี่ยวนำ อิมพีแดนซ์ ความต้านทานกระแสสลับ และความต้านทานกระแสตรงได้ ในการวัดความต้านทานกระแสตรงของตัวเหนี่ยวนำ ให้เลือกโหมด DCR หรือโหมดความต้านทานกระแสตรง เฉพาะของเครื่องวัด ห้ามใช้โหมดอิมพีแดนซ์กระแสสลับหรือโหมด ESR สำหรับการวัดความต้านทานกระแสตรง โหมดเหล่านี้ใช้สัญญาณทดสอบกระแสสลับและมีผลกระทบที่ขึ้นอยู่กับความถี่ ดังนั้นผลลัพธ์จึงไม่แสดงถึงความต้านทานกระแสตรงของขดลวด ควรแยกตัวเหนี่ยวนำออกจากวงจรอื่นๆ และอุณหภูมิในการวัดควรใกล้เคียงกับอุณหภูมิการทดสอบในเอกสารข้อมูลเมื่อทำการเปรียบเทียบโดยตรง

การวัดด้วยเครื่องวัดความต้านทานแบบสี่สาย (เคลวิน) และไมโครโอห์มมิเตอร์

สำหรับค่า DCR ที่ต่ำมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระดับมิลลิโอห์ม ให้ใช้เครื่องวัดความต้านทานแบบเคลวินสี่สายหรือไมโครโอห์มมิเตอร์ วิธีนี้ใช้สายจ่ายกระแสสองเส้นเพื่อส่งกระแสทดสอบที่ทราบค่าผ่านตัวเหนี่ยวนำ และใช้สายวัดแรงดันสองเส้นแยกกันเพื่อวัดแรงดันโดยตรงที่ขั้วของตัวเหนี่ยวนำ เนื่องจากสายวัดแรงดันแทบไม่มีกระแสไหลผ่าน ความต้านทานของสายและหน้าสัมผัสจึงมีผลต่อการวัดน้อยมาก

ค่า DCR คำนวณจาก:

DCR = V_MEAS / I_TEST

• V _MEAS = แรงดันไฟฟ้าที่วัดได้คร่อมตัวเหนี่ยวนำ

• I _TEST = กระแสไฟฟ้าทดสอบที่ใช้

วางจุดเชื่อมต่อสำหรับตรวจวัดแรงดันไฟฟ้าไว้ที่ขั้วของตัวเหนี่ยวนำโดยตรง วิธีนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้ความต้านทานของสายนำกระแสและจุดเชื่อมต่อต่างๆ ถูกนำมาคำนวณในค่าความต้านทานกระแสตรงที่วัดได้

การเปรียบเทียบค่าที่วัดได้กับข้อมูลจำเพาะในเอกสารข้อมูล

เปรียบเทียบค่า DCR ที่วัดได้กับค่าในเอกสารข้อมูลของผู้ผลิตภายใต้สภาวะการทดสอบที่คล้ายคลึงกัน

ตรวจสอบว่าเอกสารข้อมูลจำเพาะระบุค่าDCR ทั่วไปหรือค่าสูงสุดหรือไม่และจดบันทึกอุณหภูมิการทดสอบที่ระบุไว้ ค่า DCR จะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิของขดลวดสูงขึ้น ดังนั้นการวัดที่อุณหภูมิต่างกันอาจไม่ตรงกันโดยตรง

การเลือกค่าความต้านทานกระแสตรง (DCR) ของตัวเหนี่ยวนำสำหรับวงจร Buck Converter – ตัวอย่างการใช้งาน

พิจารณาตัวแปลงแรงดันแบบ Buck ที่มีสภาวะการทำงานดังต่อไปนี้:

รอบการทำงาน

สำหรับวงจรแปลงแรงดันแบบ Buck Converter ที่เหมาะสม:

กระแสริปเปิลพีคต่อพีค

ดังนั้น กระแสริปเปิลของตัวเหนี่ยวนำแบบพีคต่อพีคจึงมีค่าประมาณ 1.24 แอมป์

กระแสเหนี่ยวนำ RMS

สำหรับลวดลายคลื่นสามเหลี่ยม:

กระแส RMS ที่คำนวณได้ต่ำกว่าค่าพิกัด 4.5 AI _{rms ของตัวเหนี่ยวนำ}

DCR ที่อุณหภูมิ 80°C

สำหรับการพันขดลวดทองแดง:

DCR(T) =DCR_25°C[1+0.00393(T−25)]

DCR (80°C) =35mΩ [1+0.00393(80−25)]

DCR (80°C) ≈ 42.6mΩ

การสูญเสียทองแดง

PDCR=IRMS2×DCR

PDCR=(3.02)2(0.0426)≈0.389W

ดังนั้น การสูญเสียพลังงานในขดลวดทองแดงโดยประมาณจึงอยู่ที่ประมาณ 0.389 วัตต์

แรงดันตกคร่อม DCR

สำหรับวงจรแปลงแรงดันแบบบัค (buck converter) กระแสเฉลี่ยในตัวเหนี่ยวนำจะเท่ากับกระแสเอาต์พุตโดยประมาณ:

I_AVG » I_OUT = 3A

V_DCR= I_AVG x DCR

VDCR = (3)(0.0426) » 0.128 V

ดังนั้น แรงดันตกคร่อมของ DCR จึงมีค่าประมาณ 0.128 V

กระแสเหนี่ยวนำสูงสุด

I_L,PEAK=I_OUT+Δ/2I_L

I_L, PEAK = 3 + 1.24 2

I_L, _{PEAK » 3.62 A}

กระแสสูงสุดที่คำนวณได้ต่ำกว่าค่ากระแสอิ่มตัว:

3.62  A  <  6  A