Induktorikäämin rooli SMPS: ssä

Kokeile Instrumenttia Ongelmien Poistamiseksi





Kytketyn tilan muuntimen tai SMPS: n tärkein elementti on induktori.

Energiaa varastoidaan magneettikentän muodossa kelan ydinmateriaaliin lyhyen ON-ajan aikana (tpäällä) kytketty kytketyn kytkentäelementin, kuten MOSFET tai BJT, kautta.



Kuinka induktori toimii SMPS: ssä

Tämän ON-jakson aikana jännite, V, kohdistetaan kelan L yli, ja induktorin läpi kulkeva virta muuttuu ajan myötä.

Tätä nykyistä muutosta `` rajoittaa '' induktanssi, joten löydämme liittyvän termin kuristimen, jota normaalisti käytetään vaihtoehtoisena nimenä SMPS-induktorille, joka on matemaattisesti esitetty kaavan kautta:



di / dt = V / L

Kun kytkin kytketään pois päältä, induktoriin varastoitu energia vapautuu tai 'potkutaan takaisin'.

Käämien yli kehittynyt magneettikenttä romahtaa virran tai jännitteen puuttumisen vuoksi kentän pitämiseksi. Romahtava kenttä tässä vaiheessa 'leikkaa' jyrkästi käämitykset, mikä rakentaa päinvastaisen jännitteen, joka on päinvastainen kuin alun perin käytetty kytkentäjännite.

Tämä jännite saa virran liikkumaan samaan suuntaan. Energianvaihto tapahtuu siten induktorikäämityksen tulon ja lähdön välillä.

Induktorin toteuttaminen yllä selitetyllä tavalla voidaan todistaa Lenzin lain ensisijaisena sovelluksena. Toisaalta aluksi näyttää siltä, ​​että energiaa ei voida varastoida 'loputtomasti' induktoriin samoin kuin kondensaattoria.

Kuvittele induktori, joka on rakennettu suprajohtavalla langalla. Kun 'ladattu' kytkentäpotentiaalilla, varastoitua energiaa voidaan mahdollisesti pitää ikuisesti magneettikentän muodossa.

Tämän energian nopea uuttaminen voi kuitenkin olla täysin erilainen asia. Induktorin ydinmateriaalin kyllästysvirtaustiheys Bmax rajoittaa sitä, kuinka paljon energiaa voidaan piilottaa induktorissa.

Tämä materiaali on yleensä ferriitti. Kun induktori sattuu kyllästymiseen, ydinmateriaali menettää kykynsä magnetisoida edelleen.

Kaikki materiaalin sisällä olevat magneettidipolit kohdistuvat, jolloin enempää energiaa ei voi kertyä magneettikenttänä sen sisällä. Materiaalin kyllästysvirtaustiheyteen vaikuttavat yleensä sisälämpötilan muutokset, jotka voivat pudota 50% 100 ° C: ssa kuin sen alkuperäinen arvo 25 ° C: ssa

Tarkemmin sanottuna, jos SMPS-induktoriydintä ei estetä kyllästymästä, läpi kulkevalla virralla on taipumus tulla hallitsemattomaksi induktiivisen vaikutuksen vuoksi.

Tätä rajoitetaan nyt vain käämien vastuksella ja virran määrällä, jonka lähde syöttää. Tilannetta ohjataan yleensä kytkentäelementin maksimikäynnistysajalla, joka on sopivasti rajoitettu ytimen kyllästymisen estämiseksi.

Induktorin jännitteen ja virran laskeminen

Saturaatiopisteen hallitsemiseksi ja optimoimiseksi induktorin virta ja jännite lasketaan siten asianmukaisesti kaikissa SMPS-malleissa. Juuri ajankohtaisesta muutoksesta tulee avaintekijä SMPS-suunnittelussa. Tämän antaa:

i = (Vin / L) tpäällä

Yllä olevassa kaavassa tarkastellaan nollavastusta sarjassa induktorin kanssa. Kuitenkin käytännössä kytkentäelementtiin, induktoriin ja piirilevyyn liittyvä vastus vaikuttavat kaikki rajoittamaan induktorin kautta kulkevaa maksimivirtaa.

Oletetaan, että tämän resistanssi on yhteensä 1 ohm, mikä vaikuttaa melko kohtuulliselta.

Siten induktorin läpi kulkeva virta voidaan nyt tulkita seuraavasti:

i = (Vsisään/ R) x (1 - e-tpäälläR / L)

Ydinkylläisyyskaaviot

Ensimmäisen kaavion alla oleviin kaavioihin viitaten näkyy virran ero 10 uH: n induktorin läpi ilman sarjavastusta ja kun 1 Ohm asetetaan sarjaan.

Käytetty jännite on 10 V. Jos ei ole sarjaa rajoittavaa vastusta, se voi aiheuttaa virran nousun nopeasti ja jatkuvasti äärettömän ajanjakson aikana.

Tämä ei selvästikään ole mahdollista, mutta mietinnössä korostetaan, että induktorin virta voisi saavuttaa nopeasti merkittävät ja mahdollisesti vaaralliset suuruudet. Tämä kaava on voimassa vain niin kauan kuin induktori pysyy kyllästyspisteen alapuolella.

Heti kun induktoriydin saavuttaa kylläisyyden, induktiivinen pitoisuus ei pysty optimoimaan nykyistä nousua. Siksi virta nousee hyvin nopeasti, mikä on yksinkertaisesti yhtälön ennustealueen ulkopuolella. Saturaation aikana virtaa rajoitetaan arvolla, jonka normaalisti määrittää sarjaresistanssi ja käytetty jännite.

Pienempien induktorien kohdalla niiden läpi kulkeva virta kasvaa todella nopeasti, mutta ne voivat säilyttää merkittävän energian tason määrätyssä ajassa. Päinvastoin, suuremmat induktoriarvot voivat osoittaa hitaan virran nousun, mutta ne eivät pysty säilyttämään korkeaa energiatasoa samassa määrätyssä ajassa.

Tämä vaikutus voidaan todeta toisessa ja kolmannessa kaaviossa, joista ensimmäinen osoittaa virran nousun 10 uH, 100 uH ja 1 mH induktoreissa, kun käytetään 10 V: n syöttöä.

Kaavio 3 osoittaa ajan mittaan varastoidun energian induktoreille, joilla on samat arvot.

Neljännessä kaaviossa voimme nähdä nykyisen nousun samojen induktorien kautta soveltamalla 10 V: n, vaikka nyt induktorin kanssa sarjaan on asetettu 1 Ohmin sarjaresistanssi.

Viides kaavio kuvaa samoille induktoreille varastoitua energiaa.

Tässä on ilmeistä, että tämä 10 uH: n induktorin läpi kulkeva virta nousee nopeasti kohti 10 A: n maksimiarvoa noin 50 ms: ssa. 1 ohmin vastuksen seurauksena se pystyy kuitenkin pitämään vain lähellä 500 millijoulea.

Tämän sanottu, virta 100 uH: n ja 1 mH: n induktoreiden läpi nousee, ja varastoituun energiaan ei yleensä ole kohtuullista vaikutusta sarjavastuksella saman ajan kuluessa.




Edellinen: XL4015-muuntimen muokkaaminen säädettävällä virranrajoittimella Seuraava: Yksinkertaiset FET-piirit ja projektit