Ο ρόλος του πηνίου επαγωγής στο SMPS

Το πιο κρίσιμο στοιχείο ενός μετατροπέα εναλλαγής λειτουργίας ή ενός SMPS είναι ο επαγωγέας.

Η ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή μαγνητικού πεδίου στο υλικό πυρήνα του επαγωγέα κατά τη σύντομη περίοδο ON (t_επί) άλλαξε μέσω του συνδεδεμένου στοιχείου μεταγωγής, όπως MOSFET ή BJT.

Πώς λειτουργεί ο επαγωγέας σε SMPS

Κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου ON, η τάση V εφαρμόζεται σε ολόκληρο τον επαγωγέα, L και το ρεύμα μέσω του επαγωγέα αλλάζει με το χρόνο.

Αυτή η τρέχουσα αλλαγή «περιορίζεται» από την αυτεπαγωγή, επομένως βρίσκουμε τον σχετικό όρο τσοκ που χρησιμοποιείται συνήθως ως εναλλακτικό όνομα για έναν επαγωγέα SMPS, ο οποίος αντιπροσωπεύεται μαθηματικά μέσω του τύπου:

di / dt = V / L

Όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος, η ενέργεια που αποθηκεύεται στον επαγωγέα απελευθερώνεται ή «κλωτσάει πίσω».

Το μαγνητικό πεδίο που αναπτύσσεται κατά μήκος των περιελίξεων καταρρέει λόγω της απουσίας ροής ρεύματος ή τάσης για συγκράτηση του πεδίου. Το πεδίο κατάρρευσης σε αυτό το σημείο «κόβει» απότομα τις περιελίξεις, το οποίο δημιουργεί μια αντίστροφη τάση με αντίθετη πολικότητα από εκείνη που αρχικά εφαρμόστηκε τάση μεταγωγής.

Αυτή η τάση προκαλεί ένα ρεύμα να κινείται προς την ίδια κατεύθυνση. Μια ανταλλαγή ενέργειας συμβαίνει έτσι μεταξύ της εισόδου και της εξόδου της περιέλιξης του πηνίου.

Η εφαρμογή του επαγωγέα με τον παραπάνω τρόπο μπορεί να θεωρηθεί ως πρωταρχική εφαρμογή του νόμου του Lenz. Από την άλλη πλευρά, στην αρχή φαίνεται ότι καμία ενέργεια δεν θα μπορούσε να αποθηκευτεί «απεριόριστα» μέσα σε έναν επαγωγέα ακριβώς όπως ένας πυκνωτής.

Φανταστείτε έναν επαγωγέα που κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας καλώδιο υπεραγωγής. Μόλις «φορτιστεί» με δυναμικό μεταγωγής, η αποθηκευμένη ενέργεια θα μπορούσε ενδεχομένως να διατηρηθεί για πάντα με τη μορφή μαγνητικού πεδίου.

Ωστόσο, η γρήγορη εξαγωγή αυτής της ενέργειας μπορεί να είναι ένα εντελώς διαφορετικό ζήτημα. Πόση ενέργεια που θα μπορούσε να συγκρατηθεί μέσα σε έναν επαγωγέα περιορίζεται από την πυκνότητα ροής κορεσμού, Bmax, του βασικού υλικού του επαγωγέα.

Αυτό το υλικό είναι συνήθως φερρίτης. Τη στιγμή που ένας επαγωγέας μπαίνει σε έναν κορεσμό, το υλικό πυρήνα χάνει την ικανότητά του να μαγνητιστεί περαιτέρω.

Όλα τα μαγνητικά δίπολα μέσα στο υλικό ευθυγραμμίζονται, έτσι δεν μπορεί να συσσωρευτεί περισσότερη ενέργεια ως μαγνητικό πεδίο μέσα σε αυτό. Η πυκνότητα ροής κορεσμού του υλικού επηρεάζεται γενικά με μεταβολές στη θερμοκρασία του πυρήνα, οι οποίες ενδέχεται να μειωθούν κατά 50% στους 100 ° C από την αρχική τους τιμή στους 25 ° C

Για να είμαστε ακριβείς, εάν ο πυρήνας επαγωγέα SMPS δεν εμποδιστεί από κορεσμό, το ρεύμα μέσω τείνει να γίνει ανεξέλεγκτο λόγω του επαγωγικού αποτελέσματος.

Αυτό τώρα περιορίζεται αποκλειστικά με την αντίσταση των περιελίξεων και την ποσότητα ρεύματος που μπορεί να παρέχει η παροχή πηγής. Η κατάσταση ελέγχεται γενικά από το μέγιστο χρόνο λειτουργίας του στοιχείου μεταγωγής που περιορίζεται κατάλληλα για την αποφυγή κορεσμού του πυρήνα.

Υπολογισμός τάσης και ρεύματος επαγωγέα

Για τον έλεγχο και τη βελτιστοποίηση του σημείου κορεσμού, το ρεύμα και η τάση στον επαγωγέα υπολογίζονται κατάλληλα σε όλα τα σχέδια SMPS. Είναι η τρέχουσα αλλαγή με το χρόνο που γίνεται ο βασικός παράγοντας σε ένα σχεδιασμό SMPS. Αυτό δίνεται από:

i = (Vin / L) t_επί

Ο παραπάνω τύπος θεωρεί μηδενική αντίσταση σε σειρά με τον επαγωγέα. Ωστόσο, στην πράξη, η αντίσταση που σχετίζεται με το στοιχείο μεταγωγής, τον πηνίο, καθώς και το ίχνος PCB θα συμβάλουν όλα στον περιορισμό του μέγιστου ρεύματος μέσω του επαγωγέα.

Ας υποθέσουμε ότι μια αντίσταση είναι συνολικά 1 ohm, κάτι που φαίνεται αρκετά λογικό.

Έτσι, το ρεύμα μέσω του επαγωγέα μπορεί τώρα να ερμηνευτεί ως:

i = (V_σε/ R) x (1 - ε^{- τ_επίΕ / Λ})

Βασικά γραφήματα κορεσμού

Αναφερόμενοι στα γραφήματα που φαίνονται παρακάτω το πρώτο γράφημα δείχνει τη διαφορά στο ρεύμα μέσω ενός επαγωγέα 10 μΗ χωρίς αντίσταση σειράς και όταν εισάγεται 1 Ohm σε σειρά.

Η τάση που χρησιμοποιείται είναι 10 V. Σε περίπτωση που δεν υπάρχει σειρά περιορισμού της αντίστασης, μπορεί να προκαλέσει γρήγορη και συνεχή αύξηση του ρεύματος σε άπειρο χρονικό διάστημα.

Σαφώς, αυτό μπορεί να μην είναι εφικτό, ωστόσο η έκθεση τονίζει ότι το ρεύμα σε έναν επαγωγέα θα μπορούσε γρήγορα να επιτύχει σημαντικά και δυνητικά επικίνδυνα μεγέθη. Αυτός ο τύπος ισχύει μόνο εφόσον ο επαγωγέας παραμένει κάτω από το σημείο κορεσμού.

Μόλις ο επαγωγικός πυρήνας φτάσει στον κορεσμό, η επαγωγική συγκέντρωση δεν μπορεί να βελτιστοποιήσει την τρέχουσα άνοδο. Επομένως, το ρεύμα αυξάνεται πολύ γρήγορα, το οποίο είναι απλά πέρα ​​από το εύρος προβλέψεων της εξίσωσης. Κατά τη διάρκεια του κορεσμού, το ρεύμα περιορίζεται σε μια τιμή που συνήθως καθορίζεται από την αντίσταση της σειράς και την εφαρμοζόμενη τάση.

Σε περίπτωση μικρότερων επαγωγέων, οι αυξήσεις του ρεύματος μέσω αυτών είναι πολύ γρήγορες, αλλά μπορούν να διατηρήσουν σημαντικά επίπεδα ενέργειας εντός ενός καθορισμένου χρονικού πλαισίου. Αντίθετα, οι μεγαλύτερες τιμές επαγωγέα ενδέχεται να παρουσιάζουν αργή άνοδο του ρεύματος, αλλά αυτές δεν μπορούν να διατηρήσουν υψηλά επίπεδα ενέργειας εντός του ίδιου καθορισμένου χρόνου.

Αυτό το φαινόμενο μπορεί να παρατηρηθεί στο δεύτερο και τρίτο γράφημα, με τα προηγούμενα να δείχνουν αύξηση ρεύματος σε επαγωγείς 10 μΗ, 100 μΗ και 1 mH όταν χρησιμοποιείται παροχή 10V.

Το γράφημα 3 δείχνει την ενέργεια που αποθηκεύεται με την πάροδο του χρόνου για επαγωγείς με τις ίδιες τιμές.

Στο τέταρτο γράφημα μπορούμε να δούμε την τρέχουσα άνοδο μέσω των ίδιων επαγωγέων, εφαρμόζοντας ένα 10 V αν και τώρα μια αντίσταση σειράς 1 Ohm εισάγεται σε σειρά με τον επαγωγέα.

Το πέμπτο γράφημα δείχνει την ενέργεια που αποθηκεύεται για τους ίδιους επαγωγείς.

Εδώ, είναι προφανές ότι αυτό το ρεύμα μέσω του πηνίου 10 μΗ αυξάνεται γρήγορα προς τη μέγιστη τιμή 10 Α σε περίπου 50 ms. Ωστόσο, ως αποτέλεσμα της αντίστασης 1 ohm, μπορεί να διατηρήσει μόνο κοντά στα 500 millijoules.

Τούτου λεχθέντος, αυξάνεται το ρεύμα μέσω των επαγωγέων 100 μΗ και 1 mH και η αποθηκευμένη ενέργεια τείνει να μην επηρεάζεται λογικά με την αντίσταση της σειράς στο ίδιο χρονικό διάστημα.