Ролята на индукторната намотка в SMPS

Най-важният елемент на превключвател на превключен режим или SMPS е индукторът.

Енергията се съхранява под формата на магнитно поле в материала на сърцевината на индуктора по време на краткия период на включване (t_На) превключени през свързания превключващ елемент като MOSFET или BJT.

Как работи индукторът в SMPS

По време на този период на включване напрежението, V, се прилага през индуктора, L и токът през индуктора се променя с времето.

Тази текуща промяна е „ограничена“ от индуктивността, поради което намираме свързания термин дросел, който обикновено се използва като алтернативно име за SMPS индуктор, който е математически представен чрез формулата:

di / dt = V / L

Когато превключвателят е изключен, енергията, запасена в индуктора, се освобождава или „рита назад“.

Магнитното поле, развито през намотките, се срива поради липсата на ток или напрежение за задържане на полето. Свиващото се поле в този момент рязко „прорязва“ намотките, което изгражда обратно напрежение с противоположна полярност на първоначално приложеното напрежение на превключване.

Това напрежение кара тока да се движи в същата посока. По този начин се извършва енергиен обмен между входа и изхода на намотката на индуктора.

Прилагането на индуктора по описания по-горе начин може да бъде засвидетелствано като основно приложение на закона на Ленц. От друга страна, отначало изглежда, че никоя енергия не може да се съхранява „безкрайно“ в индуктор точно като кондензатор.

Представете си индуктор, построен с помощта на свръхпроводящ проводник. Веднъж „заредена“ с превключващ потенциал, съхранената енергия може да се задържи завинаги под формата на магнитно поле.

Бързото извличане на тази енергия обаче може да бъде съвсем различен въпрос. Колко енергия, която би могла да бъде заложена в индуктор, е ограничена от плътността на потока на насищане, Bmax, на материала на сърцевината на индуктора.

Този материал обикновено е ферит. В момента, в който индуктор се сблъска с насищане, материалът на сърцевината губи способността си да се магнетизира допълнително.

Всички магнитни диполи вътре в материала се подравняват, като по този начин не може повече енергия да се натрупва като магнитно поле вътре в него. Плътността на потока на насищане на материала обикновено се влияе от промените в температурата на сърцевината, която може да спадне с 50% при 100 ° C от първоначалната му стойност при 25 ° C

За да бъдем точни, ако SMPS ядрото на индуктора не е възпрепятствано да се насити, токът през него има тенденция да стане неконтролиран поради индуктивния ефект.

Това вече се ограничава единствено с съпротивлението на намотките и количеството ток, което източникът на захранване може да осигури. Ситуацията обикновено се контролира от максималното време на включване на превключващия елемент, което е подходящо ограничено, за да се предотврати насищането на сърцевината.

Изчисляване на напрежението и тока на индуктора

По този начин за контрол и оптимизиране на точката на насищане токът и напрежението в индуктора се изчисляват по подходящ начин във всички SMPS проекти. Текущата промяна във времето се превръща в ключов фактор в дизайна на SMPS. Това се дава от:

i = (Vin / L) t_На

Горната формула разглежда нулево съпротивление последователно с индуктора. На практика обаче съпротивлението, свързано с превключващия елемент, индуктор, както и печатната платка, всички ще допринесат за ограничаване на максималния ток през индуктора.

Нека приемем, че това съпротивление е общо 1 ом, което изглежда съвсем разумно.

По този начин токът през индуктора сега може да се интерпретира като:

i = (V_в/ R) x (1 - e^{-т_НаR / L})

Графики на основната наситеност

Позовавайки се на графиките, показани под първата графика, се показва разликата в тока през 10 µH индуктор без последователно съпротивление и когато 1 Ohm е вкаран последователно.

Използваното напрежение е 10 V. В случай, че няма някаква „ограничаваща“ съпротива серия, то може да доведе до бързо и непрекъснато нарастване на тока в продължение на безкраен период от време.

Ясно е, че това може да не е осъществимо, но докладът подчертава, че токът в индуктор може бързо да достигне значителни и потенциално опасни величини. Тази формула е валидна само докато индукторът остава под точката на насищане.

Щом сърцевината на индуктора достигне насищане, индуктивната концентрация не е в състояние да оптимизира нарастването на тока. Следователно токът се повишава много бързо, което просто е извън обхвата на прогнозиране на уравнението. По време на насищането токът се ограничава при стойност, нормално установена от последователното съпротивление и приложеното напрежение.

В случай на по-малки индуктори нарастването на тока през тях е наистина бързо, но те могат да задържат значителни нива на енергия в рамките на определен период от време. Напротив, по-големите стойности на индуктора могат да покажат бавно нарастване на тока, но те не са в състояние да задържат високи нива на енергия в рамките на същото определено време.

Този ефект може да бъде засвидетелстван във втората и третата графика, като първата демонстрира нарастване на тока в индуктори от 10 µH, 100 µH и 1 mH, когато се използва захранване от 10V.

Графика 3 показва енергията, съхранявана във времето за индуктори със същите стойности.

В четвъртата графика можем да видим нарастването на тока през същите индуктори чрез прилагане на 10 V, въпреки че сега серийно съпротивление от 1 Ohm е вмъкнато последователно с индуктора.

Петата графика показва енергията, съхранявана за същите индуктори.

Тук е очевидно, че този ток през 10 µH индуктор се издига бързо към максималната стойност от 10 А за около 50 ms. Въпреки това, в резултат на резистор от 1 ом, той може да задържи само близо 500 милиджаула.

Като се има предвид това, токът през индукторите от 100 µH и 1 mH се повишава и съхранената енергия обикновено не се влияе от серийното съпротивление за същия период от време.