Rolul bobinei inductorului în SMPS

Cel mai crucial element al unui convertor de mod comutat sau al unui SMPS este inductorul.

Energia este stocată sub forma unui câmp magnetic în materialul central al inductorului în perioada scurtă de pornire (t_pe) a trecut prin elementul de comutare conectat, cum ar fi MOSFET sau un BJT.

Cum funcționează inductorul în SMPS

În această perioadă de pornire, tensiunea, V, este aplicată pe inductor, L, iar curentul prin inductor se modifică în timp.

Această schimbare actuală este „restricționată” de inductanță, prin urmare găsim termenul asociat choke utilizat în mod normal ca nume alternativ pentru un inductor SMPS, care este reprezentat matematic prin formula:

di / dt = V / L

Când comutatorul este oprit, energia stocată în inductor este eliberată sau „respinsă”.

Câmpul magnetic dezvoltat peste înfășurări se prăbușește din cauza absenței curentului de curent sau a tensiunii pentru a menține câmpul. Câmpul care se prăbușește în acest moment „tăie” brusc înfășurările, ceea ce creează o tensiune inversă având o polaritate opusă celei aplicate inițial tensiunii de comutare.

Această tensiune face ca un curent să se deplaseze în aceeași direcție. Se face astfel un schimb de energie între intrarea și ieșirea înfășurării inductorului.

Implementarea inductorului în modul explicat mai sus poate fi asistată ca o aplicație primară a legii lui Lenz. Pe de altă parte, la început se pare că nicio energie nu ar putea fi stocată „infinit” într-un inductor la fel ca un condensator.

Imaginați-vă un inductor construit folosind sârmă supraconductoare. Odată „încărcată” cu un potențial de comutare, energia stocată ar putea fi reținută pentru totdeauna sub forma unui câmp magnetic.

Cu toate acestea, extragerea rapidă a acestei energii poate fi o problemă complet diferită. Câtă energie care ar putea fi stocată într-un inductor este restricționată de densitatea fluxului de saturație, Bmax, a materialului de bază al inductorului.

Acest material este de obicei o ferită. În momentul în care un inductor ajunge la o saturație, materialul de bază își pierde capacitatea de a fi magnetizat în continuare.

Toți dipolii magnetici din interiorul materialului se aliniază, astfel nu se mai poate acumula mai multă energie ca un câmp magnetic în interiorul său. Densitatea fluxului de saturație al materialului este în general afectată de modificările temperaturii miezului, care poate scădea cu 50% la 100 ° C decât valoarea inițială la 25 ° C

Pentru a fi precis, dacă nucleul inductor SMPS nu este împiedicat să se satureze, curentul prin tinde să devină necontrolat din cauza efectului inductiv.

Acest lucru devine acum limitat doar cu rezistența înfășurărilor și cantitatea de curent pe care sursa este capabilă să o furnizeze. Situația este în general controlată de timpul maxim de pornire al elementului de comutare, care este limitat în mod corespunzător pentru a preveni saturația miezului.

Calculul tensiunii și curentului inductorului

Pentru a controla și optimiza punctul de saturație, curentul și tensiunea pe inductor sunt astfel calculate în mod corespunzător în toate proiectele SMPS. Schimbarea actuală cu timpul devine factorul cheie într-un design SMPS. Aceasta este dată de:

i = (Vin / L) t_pe

Formula de mai sus consideră o rezistență zero în serie cu inductorul. Cu toate acestea, practic, rezistența asociată cu elementul de comutare, inductor, precum și pista PCB vor contribui la limitarea curentului maxim prin intermediul inductorului.

Să presupunem că o rezistență este de 1 ohm, ceea ce pare destul de rezonabil.

Astfel, curentul prin inductor poate fi acum interpretat ca:

i = (V_în/ R) x (1 - e^{-t_peR / L})

Graficele de saturație de bază

Referindu-ne la graficele prezentate mai jos, primul grafic arată diferența de curent printr-un inductor de 10 µH fără rezistență în serie și când se introduce 1 Ohm în serie.

Tensiunea utilizată este de 10 V. În cazul în care nu există nicio rezistență „limitativă” a seriei, poate provoca creșterea curentului rapid și continuu într-un interval de timp infinit.

În mod clar, acest lucru poate să nu fie fezabil, cu toate acestea raportul subliniază faptul că curentul într-un inductor ar putea atinge rapid magnitudini substanțiale și potențial periculoase. Această formulă este valabilă doar atâta timp cât inductorul rămâne sub punctul de saturație.

De îndată ce miezul inductorului ajunge la saturație, concentrația inductivă nu este în măsură să optimizeze creșterea curentă. Prin urmare, curentul crește foarte repede, ceea ce este pur și simplu dincolo de intervalul de predicție al ecuației. În timpul saturației, curentul este limitat la o valoare stabilită în mod normal de rezistența seriei și tensiunea aplicată.

În cazul inductoarelor mai mici, creșterea curentului prin ele este foarte rapidă, dar pot păstra niveluri semnificative de energie într-un interval de timp stipulat. Dimpotrivă, valorile mai mari ale inductorilor pot prezenta creșterea lentă a curentului, dar acestea nu sunt capabile să rețină niveluri ridicate de energie în același timp prevăzut.

Acest efect poate fi observat în al doilea și al treilea grafic, primul demonstrând creșterea curentului în inductori de 10 µH, 100 µH și 1 mH atunci când este utilizată o sursă de 10V.

Graficul 3 indică energia stocată în timp pentru inductoarele cu aceleași valori.

În al patrulea grafic putem vedea creșterea curentului prin aceiași inductori, prin aplicarea unui 10 V, deși acum o rezistență în serie de 1 Ohm este inserată în serie cu inductorul.

Al cincilea grafic demonstrează energia stocată pentru aceiași inductori.

Aici, este evident că acest curent prin inductorul de 10 µH se ridică rapid către valoarea maximă de 10 A în aproximativ 50 ms. Cu toate acestea, ca urmare a rezistenței de 1 ohm, este capabil să rețină doar aproape 500 de milijouli.

Acestea fiind spuse, curentul prin inductori de 100 µH și 1 mH crește și energia stocată tinde să fie în mod rezonabil neafectată cu rezistența seriei în aceeași perioadă de timp.