Induktorspolens roll i SMPS

Induktorn är det viktigaste elementet i en switch-omvandlare eller en SMPS.

Energi lagras i form av ett magnetfält i induktans kärnmaterial under den korta PÅ-perioden (t_på) kopplas genom det anslutna kopplingselementet såsom MOSFET eller en BJT.

Hur induktorn fungerar i SMPS

Under denna PÅ-period appliceras spänning, V, över induktorn, L, och strömmen genom induktorn ändras med tiden.

Denna nuvarande förändring är 'begränsad' av induktansen, därför hittar vi den relaterade termen choke som normalt används som ett alternativt namn för en SMPS-induktor, som matematiskt representeras genom formeln:

di / dt = V / L.

När strömbrytaren stängs av frigörs energi eller lagras i induktorn.

Magnetfält utvecklat över lindningarna kollapsar på grund av frånvaron av strömflöde eller spänning för att hålla fältet. Det kollapsande fältet vid denna punkt 'skär' kraftigt genom lindningarna, vilket bygger en omvänd spänning med en motsatt polaritet till den ursprungligen applicerade kopplingsspänningen.

Denna spänning får en ström att röra sig i samma riktning. Ett energiutbyte sker sålunda mellan induktanslindningens ingång och utgång.

Att implementera induktorn på det ovan förklarade sättet kan bevittnas som en primär tillämpning av Lenzs lag. Å andra sidan verkar det först att ingen energi kunde lagras 'oändligt' i en induktor precis som en kondensator.

Föreställ dig en induktor byggd med supraledande tråd. En gång 'laddad' med en kopplingspotential kan den lagrade energin möjligen hållas kvar för alltid i form av ett magnetfält.

Att snabbt utvinna denna energi kan dock vara en helt annan fråga. Hur mycket energi som kan stashas in i en induktor begränsas av mättningsflödestätheten, Bmax, av induktorns kärnmaterial.

Detta material är vanligtvis en ferrit. I det ögonblick som en induktor stöter på en mättnad förlorar kärnmaterialet sin förmåga att bli magnetiserad ytterligare.

Alla magnetiska dipoler inuti materialet anpassas, och därmed kan inte mer energi ackumuleras som ett magnetfält inuti det. Mättnadens flödestäthet hos materialet påverkas vanligtvis av förändringar i kärntemperaturen, som kan sjunka med 50% vid 100 ° C än dess ursprungliga värde vid 25 ° C

För att vara exakt, om SMPS-induktorkärnan inte hindras från att mätta, tenderar strömmen genom att bli okontrollerad på grund av den induktiva effekten.

Detta begränsas nu enbart med lindningens motstånd och mängden ström som källkällan kan ge. Situationen styrs i allmänhet av den maximala tidpunkten för omkopplingselementet som är lämpligt begränsad för att förhindra mättnad av kärnan.

Beräkning av induktorspänning och ström

För att kontrollera och optimera mättnadspunkten beräknas således ström och spänning över induktorn på lämpligt sätt i alla SMPS-konstruktioner. Det är den nuvarande förändringen med tiden som blir nyckelfaktorn i en SMPS-design. Detta ges av:

i = (Vin / L) t_på

Ovanstående formel betraktar ett nollmotstånd i serie med induktorn. I praktiken kommer emellertid motståndet associerat med omkopplingselementet, induktorn och PCB-spåret alla att bidra till att begränsa den maximala strömmen via induktorn.

Låt oss anta att ett motstånd är totalt 1 ohm, vilket verkar ganska rimligt.

Således kan nu strömmen genom induktorn nu tolkas som:

i = (V._i/ R) x (1 - e^{-t_påR / L.})

Kärnmättnadsdiagram

Med hänvisning till graferna som visas nedan visar den första grafen skillnaden i ström genom en 10 µH induktor utan seriemotstånd och när 1 Ohm sätts in i serie.

Spänningen som används är 10 V. Om det inte finns några serier som 'begränsar' motstånd kan det leda till att strömmen växer snabbt och kontinuerligt över en oändlig tidsram.

Det är uppenbart att detta kanske inte är möjligt, men rapporten betonar dock att strömmen i en induktor snabbt kan uppnå betydande och potentiellt farliga storheter. Denna formel är bara giltig så länge induktorn förblir under mättnadspunkten.

Så snart induktorkärnan når mättnad kan den induktiva koncentrationen inte optimera den aktuella ökningen. Därför stiger strömmen väldigt snabbt, vilket helt enkelt ligger utanför ekvations förutsägelser. Under mättnaden begränsas strömmen till ett värde som normalt fastställs av seriemotståndet och den applicerade spänningen.

Vid mindre induktorer är strömökningarna genom dem väldigt snabba, men de kan behålla betydande energinivåer inom en bestämd tidsram. Tvärtom kan större induktansvärden visa trög strömökning, men dessa kan inte behålla höga energinivåer inom samma föreskrivna tid.

Denna effekt kan ses i den andra och tredje grafen, den förra visar en ökning av strömmen i 10 µH, 100 µH och 1 mH induktorer när en 10 V-matning används.

Diagram 3 visar energin som sparats över tid för induktorer med samma värden.

I det fjärde diagrammet kan vi se strömmen stiga genom samma induktorer genom att applicera en 10 V men nu sätts ett seriemotstånd på 1 Ohm i serie med induktorn.

Den femte grafen visar energin som lagrats för samma induktorer.

Här är det uppenbart att denna ström genom 10 µH induktorn svävar snabbt mot 10 A maximivärdet i ungefär 50 ms. Men som ett resultat av 1 ohm motstånd kan den bara behålla nära 500 millijoules.

Med detta sagt stiger ström genom 100 µH och 1 mH induktorer och den lagrade energin tenderar att vara ganska opåverkad med seriemotståndet under samma tid.