Vloga induktorske tuljave v SMPS

Najpomembnejši element pretvornika s preklopnim načinom ali SMPS je induktor.

Energija se shrani v obliki magnetnega polja v materialu jedra induktorja med kratkim vklopom (t_na) preklapljal prek priključenega preklopnega elementa, kot je MOSFET ali BJT.

Kako deluje induktor v SMPS

V tem obdobju vklopa se preko induktorja L uporablja napetost V, tok skozi induktor pa se s časom spreminja.

Ta trenutna sprememba je 'omejena' z induktivnostjo, zato najdemo sorodni izraz dušilka, ki se običajno uporablja kot alternativno ime za induktor SMPS, ki je matematično predstavljen s formulo:

di / dt = V / L

Ko je stikalo izklopljeno, se energija, shranjena v induktorju, sprosti ali 'vrne nazaj'.

Magnetno polje, razvito čez navitja, se poruši zaradi odsotnosti toka ali napetosti, ki bi zadrževalo polje. Polje, ki se ruši, na tej točki močno 'prereže' navitja, kar ustvari obratno napetost z nasprotno polarnostjo od prvotno uporabljene preklopne napetosti.

Ta napetost povzroči, da se tok premika v isti smeri. Tako se med vhodom in izhodom navitja induktorja zgodi izmenjava energije.

Izvedba induktorja na zgoraj pojasnjeni način je lahko priča kot glavna uporaba Lenzovega zakona. Po drugi strani pa se sprva zdi, da nobena energija ne bi mogla biti neskončno shranjena znotraj induktorja tako kot kondenzator.

Predstavljajte si induktor, zgrajen z uporabo superprevodne žice. Ko se enkrat napolni s preklopnim potencialom, se lahko shranjena energija za vedno drži v obliki magnetnega polja.

Vendar je lahko hitro pridobivanje te energije povsem druga težava. Kolikšno količino energije, ki bi jo lahko pospravili v induktor, omejuje gostota nasičenega toka Bmax jedra materiala induktorja.

Ta material je običajno ferit. V trenutku, ko induktor naleti na nasičenost, material jedra izgubi sposobnost nadaljnjega namagnetenja.

Vsi magnetni dipoli v materialu se poravnajo, zato se v njem ne more več nabirati energija kot magnetno polje. Na gostoto nasičenega toka materiala na splošno vplivajo spremembe temperature jedra, ki lahko pri 100 ° C pade za 50% od prvotne vrednosti pri 25 ° C

Če smo natančni, če se jedru induktorja SMPS ne prepreči nasičenje, tok skozi indukcijski učinek ponavadi postane nenadzorovan.

To je zdaj omejeno izključno z uporom navitij in količino toka, ki ga lahko dobavi vir. Stanje na splošno nadzoruje največji čas vklopa stikalnega elementa, ki je ustrezno omejen, da se prepreči nasičenost jedra.

Izračun napetosti in toka induktorja

Za nadzor in optimizacijo točke nasičenja se tako v vseh izvedbah SMPS ustrezno izračunata tok in napetost na induktorju. Trenutna sprememba s časom je ključni dejavnik pri oblikovanju SMPS. To podaja:

i = (Vin / L) t_na

Zgornja formula upošteva ničelni upor zaporedno z induktorjem. Vendar bo praktično upor, povezan s stikalnim elementom, induktorjem, kot tudi tirnica PCB, prispeval k omejevanju največjega toka skozi induktor.

Predpostavimo, da je ta upor skupaj 1 ohm, kar se zdi povsem smiselno.

Tako lahko tok skozi induktor zdaj razlagamo kot:

i = (V_v/ R) x (1 - e^{-t_naR / L})

Grafi nasičenja jedra

Sklicevanje na grafe, prikazane pod prvim grafom, prikazuje razliko v toku skozi induktor 10 µH brez zaporednega upora in ko je zaporedoma vstavljen 1 Ohm.

Uporabljena napetost je 10 V. V primeru, da ni nobenega 'omejevalnega' upora, lahko tok hitro in neprestano narašča v neskončnem časovnem obdobju.

Jasno je, da to morda ni izvedljivo, vendar poročilo poudarja, da bi lahko tok v induktorju hitro dosegel znatne in potencialno nevarne jakosti. Ta formula velja le, dokler induktor ostane pod točko nasičenja.

Takoj, ko jedro induktorja doseže nasičenost, induktivna koncentracija ne more optimizirati trenutnega porasta. Zato tok narašča zelo hitro, kar preprosto presega območje napovedovanja enačbe. Med nasičenjem se tok omeji na vrednost, ki jo običajno določita serijska upornost in uporabljena napetost.

V primeru manjših induktorjev je povečanje toka skozi njih res hitro, vendar lahko zadržijo znatno raven energije v določenem časovnem okviru. Nasprotno, večje vrednosti induktorja lahko kažejo počasen porast toka, vendar ti ne morejo zadržati visoke ravni energije v istem določenem času.

Ta učinek je razviden iz drugega in tretjega grafa, pri čemer prvi kaže porast toka v induktorjih 10 µH, 100 µH in 1 mH, ko se uporablja napajalna napetost 10V.

Graf 3 prikazuje energijo, shranjeno skozi čas za induktorje z enakimi vrednostmi.

V četrtem grafu lahko vidimo porast toka skozi iste induktorje z uporabo 10 V, čeprav je zdaj zaporedno z induktorjem vstavljen serijski upor 1 Ohm.

Peti graf prikazuje energijo, shranjeno za enake induktorje.

Tu je očitno, da ta tok skozi induktor 10 µH hitro naraste proti največji vrednosti 10 A v približno 50 ms. Kot rezultat 1 ohmskega upora lahko ohrani le blizu 500 milijoulov.

Ob tem pa tok skozi induktorje 100 µH in 1 mH naraste in na shranjeno energijo v enakem časovnem obdobju praviloma ne vpliva serijska upornost.