Úloha indukčnej cievky v SMPS

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Najdôležitejším prvkom spínaného prevodníka alebo SMPS je induktor.

Energia sa ukladá vo forme magnetického poľa v materiáli jadra tlmivky počas krátkeho obdobia zapnutia (tna) prepínali cez pripojený spínací prvok ako MOSFET alebo BJT.



Ako funguje induktor v SMPS

Počas tejto doby ZAPNUTIA sa na induktor L aplikuje napätie V a prúd cez induktor sa mení s časom.

Táto súčasná zmena je „obmedzená“ indukčnosťou, preto nájdeme súvisiaci pojem tlmivka, ktorý sa bežne používa ako alternatívny názov pre induktor SMPS, ktorý je matematicky znázornený pomocou vzorca:



di / dt = V / L

Keď je spínač vypnutý, energia uložená v tlmivke sa uvoľní alebo „spätne vyhodí“.

Magnetické pole vyvinuté naprieč vinutiami sa zrúti v dôsledku absencie toku prúdu alebo napätia na udržanie poľa. Zrútiace sa pole v tomto bode ostro „prerezáva“ vinutia, čím sa vytvára reverzné napätie s opačnou polaritou ako pôvodne použité spínacie napätie.

Toto napätie spôsobí pohyb prúdu rovnakým smerom. Medzi vstupom a výstupom vinutia induktora sa tak deje výmena energie.

Implementácia induktora vyššie vysvetleným spôsobom môže byť svedkom ako primárna aplikácia Lenzovho zákona. Na druhej strane sa spočiatku zdá, že v induktore nemôže byť žiadna energia uložená „nekonečne“, rovnako ako kondenzátor.

Predstavte si induktor zostavený pomocou supravodivého drôtu. Po „nabití“ spínacím potenciálom sa mohla akumulovaná energia uchovať navždy vo forme magnetického poľa.

Rýchle vyťaženie tejto energie však môže byť úplne iný problém. Koľko energie, ktorá by sa mohla vraziť do induktora, je obmedzené hustotou saturačného toku Bmax materiálu jadra induktora.

Týmto materiálom je zvyčajne ferit. V okamihu, keď induktor prejde do sýtosti, materiál jadra stratí svoju schopnosť ďalej sa magnetizovať.

Všetky magnetické dipóly vo vnútri materiálu sa zarovnajú, čím sa už nedokáže akumulovať viac energie ako magnetické pole v ňom. Hustota toku saturácie materiálu je všeobecne ovplyvnená zmenami teploty jadra, ktoré môžu poklesnúť o 50% pri 100 ° C, ako je pôvodná hodnota pri 25 ° C

Presne povedané, ak jadru induktora SMPS nie je zabránené v nasýtení, prúd má tendenciu byť nekontrolovaný v dôsledku indukčného účinku.

Toto sa teraz obmedzuje iba na odpor vinutí a množstvo prúdu, ktoré je schopný dodávať zdroj. Situácia je všeobecne riadená maximálnym časom zapnutia spínacieho prvku, ktorý je primerane obmedzený, aby sa zabránilo nasýteniu jadra.

Výpočet napätia a prúdu induktora

Na riadenie a optimalizáciu bodu nasýtenia sa teda primerane počíta prúd a napätie na induktore vo všetkých prevedeniach SMPS. Práve aktuálna zmena v čase sa stáva kľúčovým faktorom v dizajne SMPS. Toto je dané:

i = (Vin / L) tna

Vyššie uvedený vzorec uvažuje s nulovým odporom v sérii s induktorom. Prakticky však odpor spojený so spínacím prvkom, tlmivkou, ako aj s dráhou PCB prispejú k obmedzeniu maximálneho prúdu cez tlmivku.

Predpokladajme, že odpor bude celkom 1 ohm, čo sa zdá byť celkom rozumné.

Takže prúd cez induktor možno teraz interpretovať ako:

i = (Vv/ R) x (1 - napr-tnaR / L)

Grafy základnej sýtosti

Odkazujúc na grafy zobrazené pod prvým grafom ukazuje rozdiel v prúde cez 10 µH induktor bez sériového odporu a keď je do série vložený 1 Ohm.

Použité napätie je 10 V. V prípade, že neexistuje žiadny sériový „obmedzujúci“ odpor, môže to spôsobiť rýchly a nepretržitý nárast prúdu v nekonečnom časovom rámci.

Je zrejmé, že to nie je možné, správa však zdôrazňuje, že prúd v induktore by mohol rýchlo dosiahnuť značné a potenciálne nebezpečné hodnoty. Tento vzorec je iba platný, pokiaľ induktor zostáva pod bodom nasýtenia.

Len čo jadro induktora dosiahne nasýtenie, indukčná koncentrácia nie je schopná optimalizovať nárast prúdu. Preto prúd stúpa veľmi rýchlo, čo je jednoducho mimo predikčného rozsahu rovnice. Počas saturácie sa prúd obmedzuje na hodnotu, ktorá sa zvyčajne stanoví sériovým odporom a aplikovaným napätím.

V prípade menších induktorov je nárast prúdu cez ne skutočne rýchly, môžu si však udržať významnú hladinu energie v stanovenom časovom rámci. Naopak, väčšie hodnoty induktorov môžu vykazovať pomalý nárast prúdu, ale nie sú schopné udržať vysokú hladinu energie v rovnakom stanovenom čase.

Tento efekt je možné vidieť v druhom a treťom grafe, pričom prvý ukazuje zvýšenie prúdu v induktoroch 10 uH, 100 uH a 1 mH pri použití napájania 10V.

Graf 3 ukazuje časovo akumulovanú energiu pre tlmivky s rovnakými hodnotami.

Vo štvrtom grafe vidíme nárast prúdu rovnakými induktormi použitím 10 V, aj keď teraz je do série s induktorom vložený sériový odpor 1 Ohm.

Piaty graf demonštruje energiu uloženú pre rovnaké induktory.

Tu je zrejmé, že tento prúd cez induktor 10 µH prudko stúpa k maximálnej hodnote 10 A za zhruba 50 ms. Avšak v dôsledku odporu 1 ohm je schopný zadržať iba takmer 500 milijoulov.

To znamená, že prúd cez 100 µH a 1 mH induktorov stúpa a akumulovaná energia má tendenciu byť primerane neovplyvnená sériovým odporom v rovnakom časovom období.




Predchádzajúce: Úprava prevodníka XL4015 Buck s nastaviteľným obmedzovačom prúdu Ďalej: Jednoduché obvody a projekty FET