Induktīvās spoles loma SMPS

Vissvarīgākais komutētā režīma pārveidotāja vai SMPS elements ir induktors.

Īsā ieslēgšanās periodā enerģija magnētiskā lauka veidā tiek uzkrāta induktora serdes materiālā (t_ieslēgts), kas pārslēgts caur pievienoto komutācijas elementu, piemēram, MOSFET vai BJT.

Kā induktors darbojas SMPS

Šajā ON perioda spriegums V tiek uzlikts uz induktora L un strāva caur induktoru mainās laika gaitā.

Šīs pašreizējās izmaiņas ir 'ierobežotas' ar induktivitāti, tāpēc mēs atrodam saistīto terminu droseles, ko parasti izmanto kā alternatīvu SMPS induktora nosaukumu, kas matemātiski tiek attēlots pēc formulas:

di / dt = V / L

Kad slēdzis ir izslēgts, induktorā uzkrātā enerģija tiek atbrīvota vai “atgrūsta”.

Magnētiskais lauks, kas izveidojies pāri tinumiem, sabrūk, jo trūkst strāvas plūsmas vai sprieguma, lai noturētu lauku. Šajā brīdī sabrukušais lauks strauji 'pārgriež' caur tinumiem, kas veido pretēju spriegumu, kam ir pretēja polaritāte nekā sākotnēji izmantotajam komutācijas spriegumam.

Šis spriegums izraisa strāvas kustību tajā pašā virzienā. Tādējādi enerģijas apmaiņa notiek starp induktora tinuma ievadi un izeju.

Induktora ieviešanu iepriekš izskaidrotajā veidā var uzskatīt par Lenca likuma galveno piemērošanu. No otras puses, sākotnēji šķiet, ka enerģiju nevar glabāt 'bezgalīgi' induktorā tāpat kā kondensatoru.

Iedomājieties induktoru, kas uzbūvēts, izmantojot supravadošu vadu. Pēc uzkrāšanas ar pārslēgšanas potenciālu uzkrāto enerģiju, iespējams, varētu uz visiem laikiem turēt magnētiskā lauka veidā.

Tomēr šīs enerģijas ātra iegūšana var būt pavisam cits jautājums. Cik daudz enerģijas, ko varētu ievietot induktorā, ierobežo induktora kodola materiāla piesātinājuma plūsmas blīvums Bmax.

Šis materiāls parasti ir ferīts. Brīdī, kad induktors nonāk piesātinājumā, kodola materiāls zaudē spēju vēl vairāk magnetizēt.

Visi materiāla iekšpusē esošie magnētiskie dipoli tiek izlīdzināti, tādējādi tajā vairs nevar uzkrāties enerģija kā magnētiskais lauks. Materiāla piesātinājuma plūsmas blīvumu parasti ietekmē iekšējās temperatūras izmaiņas, kas 100 ° C temperatūrā var samazināties par 50%, nekā sākotnējā vērtība pie 25 ° C

Precīzāk sakot, ja netiek kavēts SMPS induktora kodola piesātinājums, caur strāvu induktīvās iedarbības dēļ mēdz kļūt nekontrolēta.

Tas tagad kļūst ierobežots tikai ar tinumu pretestību un strāvas daudzumu, ko avota padeve spēj nodrošināt. Situāciju parasti kontrolē komutācijas elementa maksimālais ieslēgšanās laiks, kas ir atbilstoši ierobežots, lai novērstu kodola piesātinājumu.

Induktora sprieguma un strāvas aprēķināšana

Lai kontrolētu un optimizētu piesātinājuma punktu, strāva un spriegums visā induktorā tiek atbilstoši aprēķināts visos SMPS projektos. Tieši pašreizējās izmaiņas laika gaitā kļūst par galveno faktoru SMPS dizainā. To dod:

i = (Vin / L) t_ieslēgts

Iepriekš minētā formula ņem vērā nulles pretestību virknē ar induktoru. Tomēr praktiski pretestība, kas saistīta ar komutācijas elementu, induktoru, kā arī PCB sliedi, visi palīdzēs ierobežot maksimālo strāvu caur induktoru.

Pieņemsim, ka pretestība kopumā ir 1 omi, kas šķiet diezgan saprātīgi.

Tādējādi strāvu caur induktoru tagad var interpretēt kā:

i = (V_iekšā/ R) x (1 - e^{-t_ieslēgtsR / L})

Kodola piesātinājuma grafiki

Atsaucoties uz zemāk redzamajiem grafikiem, pirmais grafiks parāda strāvas starpību caur 10 µH induktoru bez sērijas pretestības un kad virknē tiek ievietots 1 Ohm.

Izmantotais spriegums ir 10 V. Ja nav virknes 'ierobežojošās' pretestības, strāva var strauji un nepārtraukti pieaugt bezgalīgā laika posmā.

Skaidrs, ka tas, iespējams, nav iespējams, tomēr ziņojumā tiek uzsvērts, ka strāva induktorā var ātri sasniegt ievērojamu un potenciāli bīstamu lielumu. Šī formula ir derīga tikai tik ilgi, kamēr induktors paliek zem piesātinājuma punkta.

Tiklīdz induktora kodols sasniedz piesātinājumu, induktīvā koncentrācija nespēj optimizēt pašreizējo pieaugumu. Tāpēc strāva pieaug ļoti ātri, kas vienkārši pārsniedz vienādojuma prognozēšanas diapazonu. Piesātinājuma laikā strāva tiek ierobežota pie vērtības, ko parasti nosaka sērijas pretestība un pielietotais spriegums.

Mazāku induktoru gadījumā strāvas pieaugums caur tiem ir patiešām ātrs, taču tie var saglabāt ievērojamu enerģijas līmeni noteiktā termiņā. Gluži pretēji, lielākas induktora vērtības var parādīt lēnu strāvas pieaugumu, taču tās nespēj saglabāt augstu enerģijas līmeni tajā pašā noteiktajā laikā.

Šis efekts ir redzams otrajā un trešajā grafikā, no kuriem pirmais parāda strāvas pieaugumu 10 µH, 100 µH un 1 mH induktoros, kad tiek izmantota 10 V barošana.

3. grafiks norāda laika gaitā uzkrāto enerģiju induktoriem ar vienādām vērtībām.

Ceturtajā grafikā mēs varam redzēt pašreizējo pieaugumu caur tiem pašiem induktoriem, piemērojot 10 V, lai gan tagad sērijveida pretestība 1 Ohm ir ievietota virknē ar induktoru.

Piektais grafiks parāda enerģiju, kas uzkrāta tiem pašiem induktoriem.

Šeit ir skaidrs, ka šī strāva caur 10 µH induktoru strauji pieaug līdz 10 A maksimālajai vērtībai aptuveni 50 ms. Tomēr 1 omu rezistora rezultātā tas spēj noturēt tikai gandrīz 500 milijoules.

To sakot, strāva caur 100 µH un 1 mH induktoriem palielinās, un uzkrāto enerģiju sērijveida pretestība vienā un tajā pašā laika periodā parasti neietekmē.