Rollen til induktorspolen i SMPS

Det mest avgjørende elementet i en omformet omformer eller en SMPS er induktoren.

Energi lagres i form av et magnetfelt i induktorens kjernemateriale i løpet av den korte ON-perioden (t_på) byttet gjennom det tilkoblede koblingselementet, for eksempel MOSFET eller en BJT.

Hvordan induktoren fungerer i SMPS

I løpet av denne PÅ-perioden blir spenning, V, påført over induktoren, L, og strømmen gjennom induktoren endres med tiden.

Denne nåværende endringen er 'begrenset' av induktansen, derfor finner vi det relaterte begrepet choke som vanligvis brukes som et alternativt navn for en SMPS-induktor, som er matematisk representert gjennom formelen:

di / dt = V / L.

Når bryteren slås av, frigjøres energi eller lagres energi.

Magnetfelt utviklet over viklingene kollapser på grunn av fravær av strøm eller spenning for å holde feltet. Det kollapsende feltet på dette punktet 'skjærer' skarpt gjennom viklingene, som bygger en omvendt spenning med motsatt polaritet til den opprinnelig påførte bryterspenningen.

Denne spenningen får en strøm til å bevege seg i samme retning. En energiutveksling skjer således mellom inngang og utgang fra induktorviklingen.

Implementering av induktoren på den ovenfor forklarte måten kan sees på som en primær anvendelse av Lenzs lov. På den annen side ser det ut til at det ikke kan lagres energi uendelig i en induktor akkurat som en kondensator.

Tenk deg en induktor bygget med superledende ledning. Når den er 'ladet' med et svitsjepotensial, kan den lagrede energien muligens holdes på for alltid i form av et magnetfelt.

Imidlertid kan raskt utvinne denne energien være et helt annet problem. Hvor mye energi som kan stammes i en induktor er begrenset av metningstrømstettheten, Bmax, til induktorens kjernemateriale.

Dette materialet er vanligvis en ferrit. I det øyeblikket en induktor løper inn i en metning, mister kjernematerialet sin evne til å bli magnetisert lenger.

Alle magnetiske dipoler inne i materialet blir justert, og dermed kan ikke mer energi akkumuleres som et magnetfelt inni det. Metningens flytdensitet av materialet påvirkes generelt av endringer i kjernetemperaturen, som kan falle med 50% i 100 ° C enn den opprinnelige verdien ved 25 ° C

For å være presis, hvis SMPS-induktorkjernen ikke forhindres i å mette, har strømmen en tendens til å bli ukontrollert på grunn av den induktive effekten.

Dette blir nå bare begrenset med viklingenes motstand og mengden strøm kildetilførselen er i stand til å gi. Situasjonen blir generelt styrt av maksimal tid på bryterelementet som er passende begrenset for å forhindre metning av kjernen.

Beregning av induktorspenning og strøm

For å kontrollere og optimalisere metningspunktet, beregnes således strøm og spenning over induktoren på riktig måte i alle SMPS-design. Det er den nåværende endringen med tiden som blir nøkkelfaktoren i en SMPS-design. Dette er gitt av:

i = (Vin / L) t_på

Ovennevnte formel anser en nullmotstand i serie med induktoren. Imidlertid vil praktisk talt motstanden forbundet med koblingselementet, induktoren, samt PCB-sporet alle bidra til å begrense maksimal strøm via induktoren.

La oss anta at motstanden er totalt 1 ohm, noe som virker ganske rimelig.

Dermed kan strømmen gjennom induktoren nå tolkes som:

i = (V._i/ R) x (1 - e^{-t_påR / L.})

Kjernemettede grafer

Med henvisning til grafene vist nedenfor viser den første grafen forskjellen i strøm gjennom en 10 µH induktor uten seriemotstand, og når 1 Ohm settes inn i serie.

Spenningen som brukes er 10 V. I tilfelle det ikke er noen serie 'begrensende' motstand, kan det føre til at strømmen bølges raskt og kontinuerlig over en uendelig tidsramme.

Det er klart at dette ikke er mulig, men rapporten understreker imidlertid at strømmen i en induktor raskt kan oppnå betydelige og potensielt farlige størrelser. Denne formelen er bare gyldig så lenge induktoren forblir under metningspunktet.

Så snart induktorkjernen når metning, klarer den induktive konsentrasjonen ikke å optimalisere den nåværende økningen. Derfor stiger strømmen veldig raskt, noe som rett og slett er utenfor prediksjonsområdet for ligningen. Under metningen blir strømmen begrenset til en verdi som normalt blir etablert av seriemotstanden og den påførte spenningen.

Ved mindre induktorer er økningen i strøm gjennom dem veldig rask, men de kan beholde betydelige nivåer av energi innen en bestemt tidsramme. Tvert imot, større induktorverdier kan vise svak strømstigning gjennom, men disse klarer ikke å beholde høye energinivåer innen samme fastsatte tid.

Denne effekten kan sees i den andre og tredje grafen, hvor den tidligere viser en økning i strøm i 10 µH, 100 µH og 1 mH induktorer når en 10 V forsyning brukes.

Graf 3 indikerer energien som er lagret over tid for induktorer med samme verdier.

I den fjerde grafen kan vi se strømmen stige gjennom de samme induktorene, ved å bruke en 10 V, men nå er en seriemotstand på 1 Ohm satt inn i serie med induktoren.

Den femte grafen viser energien som er lagret for de samme induktorene.

Her er det åpenbart at denne strømmen gjennom 10 µH induktoren svever seg raskt mot 10 A maksimumsverdien i omtrent 50 ms. Som et resultat av en ohm-motstand er den imidlertid i stand til å beholde bare nær 500 millijoule.

Når det er sagt, stiger strøm gjennom 100 µH og 1 mH induktorer, og den lagrede energien har en tendens til å være rimelig upåvirket av seriemotstanden over samme tid.