Induktorspolens rolle i SMPS

Det mest afgørende element i en switch-omformer eller en SMPS er induktoren.

Energi lagres i form af et magnetfelt i induktorens kernemateriale i den korte ON-periode (t_på) skiftet gennem det tilsluttede koblingselement, såsom MOSFET eller en BJT.

Sådan fungerer induktoren i SMPS

I løbet af denne ON-periodespænding påføres V på tværs af induktoren, L, og strømmen gennem induktoren ændres med tiden.

Denne aktuelle ændring er 'begrænset' af induktansen, derfor finder vi det relaterede udtryk choke, der normalt bruges som et alternativt navn for en SMPS-induktor, som er matematisk repræsenteret gennem formlen:

di / dt = V / L.

Når kontakten er slukket, frigives energi, der er lagret i induktoren, eller 'sparkes tilbage'.

Magnetfelt udviklet på tværs af viklingerne kollapser på grund af fraværet af strøm eller spænding til at holde feltet. Det kollapsende felt 'skærer' skarpt gennem viklingerne skarpt, hvilket bygger en omvendt spænding med en modsat polaritet til den oprindeligt anvendte koblingsspænding.

Denne spænding får en strøm til at bevæge sig i samme retning. Der sker således en energiudveksling mellem induktoren og indgangen til induktorviklingen.

Implementering af induktoren på den ovenfor forklarede måde kan ses som en primær anvendelse af Lenzs lov. På den anden side ser det ud til, at der ikke kunne lagres energi uendeligt i en induktor ligesom en kondensator.

Forestil dig en induktor bygget med superledende ledning. Når den først er 'ladet' med et skiftepotentiale, kan den lagrede energi muligvis holdes på for evigt i form af et magnetfelt.

Imidlertid kan hurtig udvinding af denne energi være et helt andet problem. Hvor meget energi, der kunne stashes i en induktor, er begrænset af mætningsfluxdensiteten, Bmax, af induktorens kernemateriale.

Dette materiale er normalt en ferrit. I det øjeblik en induktor løber ind i en mætning, mister kernematerialet sin evne til at blive magnetiseret yderligere.

Alle de magnetiske dipoler inde i materialet bringes på linje, hvorved ikke mere energi kan akkumuleres som et magnetfelt inde i det. Mætningsfluxdensiteten af ​​materialet påvirkes generelt med ændringer i kernetemperaturen, som kan falde med 50% i 100 ° C end dens oprindelige værdi ved 25 ° C

For at være præcis, hvis SMPS-induktorkernen ikke forhindres i at mætte, har strømmen en tendens til at blive ukontrolleret på grund af den induktive effekt.

Dette begrænses nu kun med viklingernes modstand og mængden af ​​strøm, som kildeforsyningen er i stand til at levere. Situationen styres generelt af det maksimale tidstidspunkt for omskifterelementet, som er passende begrænset til at forhindre mætning af kernen.

Beregning af induktorspænding og strøm

For at kontrollere og optimere mætningspunktet beregnes strøm og spænding over induktoren således passende i alle SMPS-design. Det er den aktuelle ændring med tiden, der bliver nøglefaktoren i et SMPS-design. Dette er givet af:

i = (Vin / L) t_på

Ovenstående formel betragter en nulmodstand i serie med induktoren. Men praktisk talt vil modstanden forbundet med koblingselementet, induktoren såvel som PCB-sporet alle bidrage til at begrænse den maksimale strøm via induktoren.

Lad os antage, at en modstand er i alt 1 ohm, hvilket synes ganske rimeligt.

Således kan strømmen gennem induktoren nu fortolkes som:

i = (V._i/ R) x (1 - e^{-t_påR / L.})

Core mætning grafer

Idet der henvises til graferne vist nedenfor, viser den første graf forskellen i strøm gennem en 10 µH induktor uden seriemodstand, og når 1 Ohm indsættes i serie.

Den anvendte spænding er 10 V. Hvis der ikke er nogen serie 'begrænsende' modstand, kan den medføre, at strømmen bøjes hurtigt og kontinuerligt over en uendelig tidsramme.

Det er klart, at dette muligvis ikke er muligt, men rapporten understreger dog, at strømmen i en induktor hurtigt kunne nå betydelige og potentielt farlige størrelser. Denne formel er kun gyldig, så længe induktoren forbliver under mætningspunktet.

Så snart induktionskernen når mætning, er den induktive koncentration ikke i stand til at optimere den aktuelle stigning. Derfor stiger strømmen meget hurtigt, hvilket simpelthen ligger uden for ligningens forudsigelsesområde. Under mætningen begrænses strømmen til en værdi, der normalt fastlægges af seriemodstanden og den anvendte spænding.

I tilfælde af mindre induktorer er stigningen i strøm gennem dem virkelig hurtig, men de kan bevare betydelige niveauer af energi inden for en fastsat tidsramme. Tværtimod kan større induktorværdier vise træg strømstigning igennem, men disse er ude af stand til at bevare høje niveauer af energi inden for den samme fastsatte tid.

Denne effekt kan ses i den anden og tredje graf, hvor den tidligere viser stigning i strøm i 10 µH, 100 µH og 1 mH induktorer, når der anvendes en 10 V forsyning.

Graf 3 angiver den energi, der er lagret over tid for induktorer med de samme værdier.

I den fjerde graf kan vi se strømmen stige gennem de samme induktorer ved at anvende en 10 V, selvom der nu er en seriemodstand på 1 Ohm indsat i serie med induktoren.

Den femte graf viser den lagrede energi til de samme induktorer.

Her er det tydeligt, at denne strøm gennem 10 µH-induktoren svæver hurtigt mod den maksimale værdi på 10 A i ca. 50 ms. Men som et resultat af 1 ohm modstand er det i stand til kun at holde tæt på 500 millijoules.

Når det er sagt, stiger strøm gennem 100 µH og 1 mH induktorer, og den lagrede energi har tendens til at være med rimelighed upåvirket af seriemodstanden over den samme tid.