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

周五, 25 一月 2019 - 14:20

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

<table border="1">
<tbody>
<tr>
<td bgcolor="#CCCCCC">内置DC-DC转换器的 
开关频率</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">
<div>芯片 
尺寸</div>
</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">品名</td>
<td bgcolor="#CCCCCC">电感值</td>
</tr>
<tr>
<td>1MHz</td>
<td>2012</td>
<td>LQM21FN100M80</td>
<td>10μH</td>
</tr>
<tr>
<td rowspan="2">
<div> </div>

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。
<img alt="使用直流阻抗（Rdc）和电流的直流成分（Idc）可用以下公式表示" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="2921fa1b-946a-4489-ad8b-8fc37e240f40" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F1.jpg" />
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。
<img alt="交流阻抗（Rac）和电流的交流成分（Irms）" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="871773d2-9791-409b-8b1e-b6134c32ce17" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%85%AC%E5%BC%8F2.jpg" />
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。
<img alt="图1 BLE用电源IC的AC损耗/DC损耗的比例" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="0be4a533-40e4-48be-9bf9-ee9b8ff1cd10" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE1%20BLE%E7%94%A8%E7%94%B5%E6%BA%90IC%E7%9A%84AC%E6%8D%9F%E8%80%97DC%E6%8D%9F%E8%80%97%E7%9A%84%E6%AF%94%E4%BE%8B.jpg" />
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图1 BLE用电源IC的AC损耗/DC损耗的比例
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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。
<img alt="图2 改变电感值或开关频率时的电流波形" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="bdd7237e-ea19-47a6-8ce2-7abbdf99b144" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE2%20%E6%94%B9%E5%8F%98%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%80%BC%E6%88%96%E5%BC%80%E5%85%B3%E9%A2%91%E7%8E%87%E6%97%B6%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%B5%81%E6%B3%A2%E5%BD%A2.jpg" />
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图2 改变电感值或开关频率时的电流波形
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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。
<img alt="图3 电感值和电源损耗之间的关系" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="7fab4140-5bd7-4840-98f3-b71b6ee61c71" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE3%20%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%80%BC%E5%92%8C%E7%94%B5%E6%BA%90%E6%8D%9F%E8%80%97%E4%B9%8B%E9%97%B4%E7%9A%84%E5%85%B3%E7%B3%BB.jpg" />
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图3 电感值和电源损耗之间的关系
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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。  
<img alt="表2 当开关频率为1 MHz时推荐的电感器规格" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="3fb7ca15-14c5-47ae-80c9-224f60ba341b" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A82%20%E5%BD%93%E5%BC%80%E5%85%B3%E9%A2%91%E7%8E%87%E4%B8%BA1%20MHz%E6%97%B6%E6%8E%A8%E8%8D%90%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E8%A7%84%E6%A0%BC.jpg" />
※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。
<img alt="表3 当开关频率为4MHz时推荐的电感器规格" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="a01d51a9-ebe5-4c22-af79-771076a215ab" src="/sites/default/files/inline-images/%E8%A1%A83%20%E5%BD%93%E5%BC%80%E5%85%B3%E9%A2%91%E7%8E%87%E4%B8%BA4MHz%E6%97%B6%E6%8E%A8%E8%8D%90%E7%9A%84%E7%94%B5%E6%84%9F%E5%99%A8%E8%A7%84%E6%A0%BC.jpg" />
※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。
<img alt="图4 将开关频率为1MHz的BLE进行消耗功率的比较" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="dca59b8d-947e-40ac-8358-6fe788c74cf4" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE4%20%E5%B0%86%E5%BC%80%E5%85%B3%E9%A2%91%E7%8E%87%E4%B8%BA1MHz%E7%9A%84BLE%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E6%B6%88%E8%80%97%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%9A%84%E6%AF%94%E8%BE%83.jpg" />
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图4 将开关频率为1MHz的BLE进行消耗功率的比较
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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。
<img alt="图5 将开关频率为4MHz的BLE进行消耗功率的比较" data-align="center" data-entity-type="file" data-entity-uuid="279a3532-88ad-444a-a235-243d4ca634f0" src="/sites/default/files/inline-images/%E5%9B%BE5%20%E5%B0%86%E5%BC%80%E5%85%B3%E9%A2%91%E7%8E%87%E4%B8%BA4MHz%E7%9A%84BLE%E8%BF%9B%E8%A1%8C%E6%B6%88%E8%80%97%E5%8A%9F%E7%8E%87%E7%9A%84%E6%AF%94%E8%BE%83.jpg" />
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图5 将开关频率为4MHz的BLE进行消耗功率的比较
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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：

支持1MHz的开关频率：<a href="https://psearch.cn.murata.com/inductor/product/LQM21FN100M80%23.html">L…;

支持4MHz的开关频率：<a href="https://psearch.cn.murata.com/inductor/product/LQM21PNR47MGH%23.html">L…;