Role indukční cívky v SMPS

Nejdůležitějším prvkem spínaného převodníku nebo SMPS je induktor.

Energie je uložena ve formě magnetického pole v materiálu jádra induktoru během krátké doby zapnutí (t_na) přepínat prostřednictvím připojeného spínacího prvku, jako je MOSFET nebo BJT.

Jak induktor pracuje v SMPS

Během této doby ZAPNUTÍ je na induktor L přivedeno napětí V a proud přes induktor se mění s časem.

Tato aktuální změna je „omezena“ indukčností, proto najdeme související výraz tlumivka, který se běžně používá jako alternativní název pro induktor SMPS, který je matematicky znázorněn pomocí vzorce:

di/dt=V/L

Když je spínač vypnutý, energie uložená v induktoru se uvolní nebo „vykope zpět“.

Magnetické pole vyvíjené napříč vinutími se zhroutí kvůli absenci proudu nebo napětí, které pole drží. Sbalující se pole v tomto bodě ostře „prořezává“ vinutí, což vytváří zpětné napětí mající opačnou polaritu než původně použité spínací napětí.

Toto napětí způsobí, že se proud bude pohybovat stejným směrem. Dochází tedy k výměně energie mezi vstupem a výstupem vinutí induktoru.

Implementace induktoru výše vysvětleným způsobem může být svědkem jako primární aplikace Lenzova zákona. Na druhou stranu se zpočátku zdá, že žádná energie nemohla být uložena „nekonečně“ v induktoru, stejně jako kondenzátor.

Představte si induktor postavený pomocí supravodivého drátu. Jakmile je „nabitá“ spínacím potenciálem, mohla by se akumulovaná energie držet navždy ve formě magnetického pole.

Rychlá těžba této energie však může být úplně jiný problém. Kolik energie, které by mohlo být v induktoru uskladněno, je omezeno hustotou toku saturace, Bmax, materiálu jádra induktoru.

Tímto materiálem je obvykle ferit. V okamžiku, kdy induktor dojde k nasycení, materiál jádra ztrácí schopnost dále se magnetizovat.

Všechny magnetické dipóly uvnitř materiálu se vyrovnají, čímž se již nemůže hromadit žádná energie jako magnetické pole v něm. Hustota toku nasycení materiálu je obecně ovlivněna změnami teploty jádra, které mohou poklesnout o 50% při 100 ° C, než je jeho původní hodnota při 25 ° C

Přesněji řečeno, pokud jádru induktoru SMPS není zabráněno v nasycení, má procházející proud tendenci být nekontrolovaný kvůli indukčnímu účinku.

To se nyní omezuje pouze na odpor vinutí a množství proudu, které je zdroj energie schopen poskytnout. Situace je obecně řízena maximální dobou zapnutí spínacího prvku, která je vhodně omezena, aby se zabránilo nasycení jádra.

Výpočet napětí a proudu induktoru

Pro řízení a optimalizaci bodu nasycení je tedy ve všech SMPS provedeních vhodně vypočítán proud a napětí na induktoru. Právě aktuální změna v čase se stává klíčovým faktorem v návrhu SMPS. To je dáno:

i = (Vin / L) t_na

Výše uvedený vzorec uvažuje nulový odpor v sérii s induktorem. Prakticky však odpor spojený se spínacím prvkem, induktorem a stopou PCB přispěje k omezení maximálního proudu přes induktor.

Předpokládejme odpor, který má být celkem 1 ohm, což se zdá docela rozumné.

Proud přes induktor lze tedy nyní interpretovat jako:

i = (V_v/ R) x (1 - e^{-t_naR / L.})

Grafy sytosti jádra

S odkazem na grafy zobrazené níže první graf ukazuje rozdíl proudu v induktoru 10 µH bez sériového odporu a když je do série vložen 1 Ohm.

Použité napětí je 10 V. V případě, že neexistuje žádný sériový „omezující“ odpor, může dojít k rychlému a nepřetržitému nárůstu proudu v nekonečném časovém rámci.

Je zřejmé, že to není možné, nicméně zpráva zdůrazňuje, že proud v induktoru by mohl rychle dosáhnout podstatných a potenciálně nebezpečných hodnot. Tento vzorec je pouze platný, pokud induktor zůstává pod bodem nasycení.

Jakmile jádro induktoru dosáhne saturace, indukční koncentrace není schopna optimalizovat nárůst proudu. Proto proud stoupá velmi rychle, což je jednoduše mimo rozsah predikce rovnice. Během saturace se proud omezuje na hodnotu normálně stanovenou sériovým odporem a aplikovaným napětím.

V případě menších induktorů je nárůst proudu skrze ně opravdu rychlý, ale mohou si ve stanoveném časovém rámci udržet významnou hladinu energie. Naopak větší hodnoty induktorů mohou vykazovat pomalý nárůst proudu, ale nejsou schopny udržet vysokou hladinu energie ve stejnou stanovenou dobu.

Tento účinek lze pozorovat ve druhém a třetím grafu, přičemž první ukazuje nárůst proudu v 10 µH, 100 µH a 1 mH induktorech, když je použito napájení 10V.

Graf 3 ukazuje energii uloženou v čase pro induktory se stejnými hodnotami.

Ve čtvrtém grafu vidíme vzestup proudu stejnými induktory, použitím 10 V, i když nyní je do série s induktorem vložen sériový odpor 1 Ohm.

Pátý graf ukazuje energii uloženou pro stejné induktory.

Zde je zřejmé, že tento proud induktorem 10 µH rychle stoupá k maximální hodnotě 10 A za zhruba 50 ms. Výsledkem 1 ohmového rezistoru je však schopen zadržet pouze téměř 500 milijoulů.

Jak již bylo řečeno, proud přes induktory 100 µH a 1 mH stoupá a akumulovaná energie má tendenci být přiměřeně neovlivněna sériovým odporem po stejnou dobu.