Induktiivpooli roll SMPS-is

Lülitatud režiimi muunduri või SMPS-i kõige olulisem element on induktor.

Energiat salvestatakse lühikese sisselülitusperioodi vältel induktori südamiku materjalis magnetvälja kujul (t_peal), mis on ühendatud ühendatud lülituselemendi kaudu, näiteks MOSFET või BJT.

Kuidas induktor töötab SMPS-is

Selle ON perioodi jooksul rakendatakse induktiivpoolile L pinget V ja induktori läbiv vool muutub aja jooksul.

Seda praegust muutust piirab induktiivsus, seega leiame seonduvat mõistet drossel, mida tavaliselt kasutatakse SMPS-induktiivpooli alternatiivse nimena ja mida matemaatiliselt esitatakse valemi kaudu:

di / dt = V / L

Lüliti väljalülitamisel vabaneb induktorisse salvestatud energia või lüüakse see tagasi.

Üle mähiste arenenud magnetväli variseb välja voolu või pinge puudumise tõttu välja hoidmiseks. Selles punktis varisev väli 'lõikab' järsult läbi mähiste, mis loob vastupidise pinge, millel on vastupidise polaarsusega algselt rakendatud lülituspinge.

See pinge põhjustab voolu liikumise samas suunas. Seega toimub energiavahetus induktorimähise sisendi ja väljundi vahel.

Induktiivpooli ülalkirjeldatud viisil rakendamist võib tunnistada Lenzi seaduse esmase rakendusena. Teiselt poolt näib esialgu, et induktori sees ei saa energiat lõpmatult salvestada nagu kondensaatorit.

Kujutage ette ülijuhtivat traati kasutades ehitatud induktorit. Kui lülituspotentsiaaliga on „laetud”, võib salvestatud energiat magnetvälja kujul igavesti hoida.

Selle energia kiire väljavõtmine võib olla aga hoopis teine ​​teema. Kui palju energiat võib induktorisse paigutada, piirab induktori südamiku küllastusvoo tihedus Bmax.

See materjal on tavaliselt ferriit. Hetkel, kui induktor satub küllastuseni, kaotab südamikmaterjal võime veelgi magnetiseeruda.

Kõik materjali sees olevad magnetdipoolid joonduvad, seeläbi ei ole selle sees magnetväljana enam võimalik energiat koguneda. Materjali küllastusvoo tihedust mõjutavad tavaliselt sisetemperatuuri muutused, mis võivad 100 ° C juures langeda 50% kui algväärtus 25 ° C juures

Täpsemalt, kui SMPS-induktori südamiku küllastumist ei takistata, kipub läbivool induktiivse mõju tõttu kontrollimatuks muutuma.

Nüüd piiratakse seda ainult mähiste takistuse ja allika toiteallika suudetava vooluhulgaga. Olukorda kontrollib üldiselt lülituselemendi maksimaalne sisselülitusaeg, mis on piisavalt piiratud südamiku küllastumise vältimiseks.

Induktori pinge ja voolu arvutamine

Küllastuspunkti juhtimiseks ja optimeerimiseks arvutatakse seega induktori vool ja pinge kõikides SMPS-konstruktsioonides asjakohaselt. Just praegune ajaline muutus saab SMPS-i kujunduse võtmeteguriks. Selle annab:

i = (Vin / L) t_peal

Ülaltoodud valemis käsitletakse nulltakistust induktoriga järjestikku. Kuid praktiliselt aitab lülituselemendi, induktori ja PCB rööbaga seotud takistus kõik piirata maksimaalset voolu induktori kaudu.

Oletame, et selle takistus on kokku 1 oomi, mis tundub üsna mõistlik.

Seega saab induktori kaudu voolu nüüd tõlgendada järgmiselt:

i = (V_aastal/ R) x (1 - e^{-t_pealR / L})

Tuumiküllastuse graafikud

Viidates allpool toodud graafikutele, näitab esimene graafik voolu erinevust läbi 10 µH induktiivpooli, millel puudub seeriatakistus, ja kui 1 Ohm sisestatakse järjestikku.

Kasutatav pinge on 10 V. Juhul, kui pole ühtegi seeria 'piiravat' takistust, võib see põhjustada voolu kiire ja pideva tõusu lõpmatu aja jooksul.

Ilmselgelt ei pruugi see olla teostatav, kuid raportis rõhutatakse, et induktori vool võib kiiresti saavutada olulise ja potentsiaalselt ohtliku suuruse. See valem kehtib ainult seni, kuni induktor jääb küllastuspunkti alla.

Niipea kui induktori südamik jõuab küllastuseni, ei suuda induktiivne kontsentratsioon praegust tõusu optimeerida. Seetõttu tõuseb vool väga kiiresti, mis on lihtsalt võrrandi ennustuspiirkonnast väljas. Küllastuse ajal piiratakse voolu väärtusega, mille tavaliselt määravad jadatakistus ja rakendatud pinge.

Väiksemate induktiivpoolide korral on nende kaudu voolutugevus tõepoolest kiire, kuid need suudavad ettenähtud aja jooksul märkimisväärset energiat säilitada. Vastupidi, suuremad induktori väärtused võivad näidata voolu aeglast tõusu, kuid need ei suuda säilitada kõrget energiat sama ettenähtud aja jooksul.

Seda efekti võib täheldada teises ja kolmandas graafikus, millest esimene näitab voolutugevust 10 uH, 100 uH ja 1 mH induktorites, kui kasutatakse 10 V toiteallikat.

Graafik 3 näitab aja jooksul salvestatud energiat samade väärtustega induktiivpoolide jaoks.

Neljandal graafikul näeme voolu tõusu läbi samade induktiivpoolide, rakendades 10 V, kuigi nüüd on induktoriga järjestikku sisestatud 1 Ohmi jadatakistus.

Viies graafik näitab samade induktiivpoolide jaoks salvestatud energiat.

Siin on ilmne, et see 10 µH induktiivpooli läbiv vool tõuseb umbes 50 ms jooksul kiiresti 10 A maksimaalse väärtuse suunas. Kuid 1-oomise takisti tulemusena on see võimeline hoidma ainult ligi 500 millijoule.

Seda öeldes tõuseb vool läbi 100 µH ja 1 mH induktiivpoolide ning salvestatud energiat ei mõjuta jadatakistus sama aja jooksul mõistlikult.