Induktyviosios ritės vaidmuo SMPS

Svarbiausias perjungto režimo keitiklio arba SMPS elementas yra induktorius.

Energija magnetinio lauko pavidalu kaupiama induktoriaus šerdies medžiagoje trumpą įjungimo laikotarpį (t_ant) perjungtas per prijungtą perjungimo elementą, pvz., MOSFET ar BJT.

Kaip veikia induktorius SMPS

Per šį ON periodą įtampa V yra naudojama induktoriui L, o srovė per induktorių kinta laikui bėgant.

Šį dabartinį pokytį „riboja“ induktyvumas, todėl randame susijusį terminą droselio, paprastai vartojamo kaip alternatyvus SMPS induktoriaus pavadinimas, kuris matematiškai pateikiamas pagal formulę:

di / dt = V / L

Išjungus jungiklį, induktoriuje sukaupta energija išleidžiama arba „atmušama“.

Magnetinis laukas, išsivystęs per apvijas, žlunga dėl to, kad nėra srovės srauto ar įtampos laukui išlaikyti. Žlungantis laukas šioje vietoje smarkiai „perpjauna“ apvijas, todėl susidaro atvirkštinė įtampa, turinti priešingą poliškumą nei iš pradžių naudojama perjungimo įtampa.

Dėl šios įtampos srovė juda ta pačia kryptimi. Taigi vyksta energijos mainai tarp induktoriaus apvijos įvesties ir išvesties.

Induktoriaus įgyvendinimas aukščiau paaiškintu būdu gali būti liudijamas kaip pagrindinis Lenzo dėsnio taikymas. Kita vertus, iš pradžių atrodo, kad jokia energija negalėjo būti saugoma „be galo“ induktoriaus viduje kaip kondensatorius.

Įsivaizduokite induktorių, pastatytą naudojant superlaidžią laidą. „Įkrauta“ su perjungimo potencialu, sukauptą energiją galima amžinai laikyti magnetinio lauko pavidalu.

Tačiau greitai išgauti šią energiją gali kilti visai kitas klausimas. Kiek energijos, kurią būtų galima sutalpinti induktoriuje, riboja induktoriaus šerdies medžiagos prisotinimo srauto tankis Bmax.

Ši medžiaga paprastai yra feritas. Tuo momentu, kai induktorius patenka į prisotinimą, pagrindinė medžiaga praranda savo gebėjimą dar labiau įmagnetėti.

Visi medžiagos viduje esantys magnetiniai dipoliai išsilygina, todėl daugiau energijos nesugeba kauptis kaip magnetinis laukas jos viduje. Medžiagos prisotinimo srauto tankiui paprastai įtakos turi pagrindinės temperatūros pokyčiai, kurie 100 ° C temperatūroje gali sumažėti 50%, nei pradinė vertė esant 25 ° C

Tiksliau sakant, jei nėra trukdoma prisotinti SMPS induktoriaus šerdį, srovė per indukcinį poveikį tampa nevaldoma.

Tai dabar apsiriboja tik apvijų varža ir srovės, kurią gali tiekti šaltinis, kiekiu. Situaciją paprastai kontroliuoja maksimalus perjungimo elemento įjungimo laikas, kuris yra tinkamai apribotas, kad būtų išvengta šerdies prisotinimo.

Induktoriaus įtampos ir srovės skaičiavimas

Taigi, norint kontroliuoti ir optimizuoti prisotinimo tašką, induktoriaus srovė ir įtampa yra tinkamai apskaičiuojami visuose SMPS projektuose. Būtent dabartinis laiko pokyčiai tampa pagrindiniu SMPS dizaino veiksniu. Tai suteikia:

i = (Vin / L) t_ant

Pirmiau pateiktoje formulėje atsižvelgiama į nulio varžą nuosekliai su induktoriumi. Tačiau praktiškai atsparumas, susijęs su perjungimo elementu, induktoriumi, taip pat su PCB takeliu, prisidės prie maksimalios srovės per induktorių ribojimo.

Tarkime, kad bendras atsparumas yra 1 omas, o tai atrodo gana pagrįsta.

Taigi srovę per induktorių dabar galima interpretuoti kaip:

i = (V._į/ R) x (1 - e^{-t_antR / L})

Šerdies sodrumo grafikai

Remiantis žemiau pateiktais grafikais, pirmasis grafikas rodo srovės skirtumą per 10 µH induktorių be nuoseklaus pasipriešinimo ir kai nuosekliai įterpiama 1 Ohm.

Naudojama įtampa yra 10 V. Jei nėra serijos „ribojančio“ pasipriešinimo, srovė gali greitai ir nuolat didėti per begalinį laiką.

Akivaizdu, kad tai gali būti neįmanoma, tačiau pranešime pabrėžiama, kad induktoriaus srovė gali greitai pasiekti reikšmingą ir potencialiai pavojingą dydį. Ši formulė galioja tik tol, kol induktorius lieka žemiau prisotinimo taško.

Kai tik induktoriaus šerdis pasiekia sodrumą, induktyvioji koncentracija negali optimizuoti dabartinio pakilimo. Todėl srovė kyla labai greitai, o tai paprasčiausiai viršija lygties prognozavimo diapazoną. Sodrumo metu srovė ribojama verte, kurią paprastai nustato serijos varža ir naudojama įtampa.

Mažesnių induktorių atveju srovė per juos padidėja labai greitai, tačiau jie gali išlaikyti reikšmingą energijos kiekį per nustatytą laiką. Priešingai, didesnės induktoriaus vertės gali rodyti vangų srovės kilimą, tačiau jos negali išlaikyti aukšto energijos lygio per tą patį nustatytą laiką.

Šį efektą galima matyti iš antrojo ir trečiojo grafikų, iš kurių pirmasis rodo 10 µH, 100 µH ir 1 mH induktorių srovės padidėjimą, kai naudojamas 10 V maitinimas.

3 diagramoje nurodoma, kiek laiko sukaupta energija induktoriams, turintiems tas pačias vertes.

Ketvirtajame grafike galime pamatyti dabartinį kilimą per tuos pačius induktorius, pritaikydami 10 V, nors dabar nuosekliai su induktoriumi įterpiama 1 Ohmo varža.

Penktasis grafikas rodo energiją, sukauptą tiems patiems induktoriams.

Čia akivaizdu, kad ši srovė per 10 µH induktorių per 50 ms greitai pakyla link maksimalios 10 A vertės. Tačiau dėl 1 omų rezistoriaus jis gali išlaikyti tik arti 500 milijoulių.

Tai pasakius, srovė per 100 µH ir 1 mH induktorius pakyla, o sukaupta energija serijos varžai per tą patį laiką paprastai neturi įtakos.