Peranan Gegelung Induktor dalam SMPS

Elemen yang paling penting dari penukar mod suis atau SMPS adalah induktor.

Tenaga disimpan dalam bentuk medan magnet dalam bahan teras induktor dalam tempoh ON yang singkat (t_pada) beralih melalui elemen pensuisan yang disambungkan seperti MOSFET atau BJT.

Bagaimana Induktor Berfungsi di SMPS

Semasa voltan tempoh ON ini, V, digunakan di seluruh induktor, L, dan arus melalui induktor berubah dengan masa.

Perubahan semasa ini 'dibatasi' oleh induktansi, oleh itu kita dapati istilah berkaitan tersekat biasanya digunakan sebagai nama alternatif untuk induktor SMPS, yang secara matematik ditunjukkan melalui formula:

di / dt = V / L

Apabila suis dimatikan, tenaga yang tersimpan di induktor dilepaskan atau 'ditendang kembali'.

Medan magnet yang dikembangkan melintasi belitan runtuh kerana ketiadaan arus atau voltan untuk menahan medan. Medan runtuh pada titik ini 'memotong' tajam melalui belitan, yang membina voltan terbalik yang mempunyai kekutuban yang berlawanan dengan voltan beralih yang mula-mula digunakan.

Voltan ini menyebabkan arus bergerak ke arah yang sama. Oleh itu, pertukaran tenaga berlaku antara input dan output penggulungan induktor.

Melaksanakan induktor dengan cara yang dijelaskan di atas dapat disaksikan sebagai penerapan utama hukum Lenz. Sebaliknya, pada mulanya nampaknya tidak ada tenaga yang dapat disimpan 'tanpa batas' dalam induktor seperti kapasitor.

Bayangkan induktor dibina menggunakan wayar superkonduktor. Setelah 'dibebankan' dengan potensi pengalihan, tenaga yang tersimpan mungkin dapat bertahan selamanya dalam bentuk medan magnet.

Walau bagaimanapun, pengambilan tenaga ini dengan cepat boleh menjadi masalah yang sama sekali berbeza. Berapa banyak tenaga yang dapat tersekat dalam induktor dibatasi oleh ketumpatan fluks tepu, Bmax, dari bahan teras induktor.

Bahan ini biasanya ferit. Sebaik sahaja induktor mengalami ketepuan, bahan inti kehilangan kemampuannya untuk membuat magnet lebih jauh.

Semua dipol magnet di dalam bahan diselaraskan, oleh itu tidak ada lagi tenaga yang dapat terkumpul sebagai medan magnet di dalamnya. Ketumpatan fluks ketepuan bahan secara amnya dipengaruhi dengan perubahan suhu teras, yang mungkin turun 50% pada 100 ° C daripada nilai asalnya pada 25 ° C

Tepatnya, jika inti induktor SMPS tidak dihalang tepu, arus melalui cenderung menjadi tidak terkawal kerana kesan induktif.

Ini sekarang hanya terhad dengan rintangan belitan dan jumlah arus yang dapat diberikan oleh bekalan sumber. Keadaan umumnya dikawal oleh masa maksimum elemen pensuisan yang dibatasi dengan tepat untuk mengelakkan ketepuan inti.

Mengira Voltan dan Arus Induktor

Oleh itu, untuk mengawal dan mengoptimumkan titik tepu, arus dan voltan di seluruh induktor dikira dengan tepat dalam semua reka bentuk SMPS. Perubahan semasa dengan masa menjadi faktor utama dalam reka bentuk SMPS. Ini diberikan oleh:

i = (Vin / L) t_pada

Formula di atas menganggap rintangan sifar secara bersiri dengan induktor. Walau bagaimanapun, secara praktikal, rintangan yang berkaitan dengan elemen pensuisan, induktor, dan trek PCB semuanya akan menyumbang untuk menghadkan arus maksimum melalui induktor.

Mari kita anggap rintangan ini menjadi 1 ohm, yang nampaknya cukup masuk akal.

Oleh itu Arus melalui induktor kini dapat ditafsirkan sebagai:

i = (V_dalam/ R) x (1 - e^{-t_padaR / L})

Graf Ketepuan Teras

Merujuk pada grafik yang ditunjukkan di bawah grafik pertama menunjukkan perbezaan arus melalui induktor 10 µH tanpa rintangan siri, dan apabila 1 Ohm dimasukkan secara seri.

Voltan yang digunakan adalah 10 V. Sekiranya tidak ada rintangan 'had' siri, boleh menyebabkan arus melambung dengan cepat dan berterusan dalam jangka masa yang tidak terbatas.

Jelas, ini mungkin tidak dapat dilaksanakan, namun laporan tersebut menekankan bahawa arus dalam induktor dapat dengan cepat mencapai besaran yang besar dan berpotensi berbahaya. Formula ini hanya sah selagi induktor kekal di bawah titik tepu.

Sebaik sahaja teras induktor mencapai tepu, kepekatan induktif tidak dapat mengoptimumkan kenaikan semasa. Oleh itu arus meningkat dengan sangat pantas yang berada di luar jangkauan ramalan persamaan. Semasa ketepuan, arus akan dihadkan pada nilai yang biasanya ditentukan oleh rintangan siri dan voltan terpakai.

Sekiranya induktor yang lebih kecil, peningkatan arus yang melaluinya sangat cepat, tetapi mereka dapat mengekalkan tahap tenaga yang signifikan dalam jangka waktu yang ditentukan. Sebaliknya, nilai induktor yang lebih besar mungkin menunjukkan kenaikan arus yang perlahan, tetapi ini tidak dapat mengekalkan tahap tenaga yang tinggi dalam jangka masa yang sama.

Kesan ini dapat dilihat pada grafik kedua dan ketiga, yang pertama menunjukkan kenaikan arus dalam induktor 10 µH, 100 µH, dan 1 mH apabila bekalan 10V digunakan.

Grafik 3 menunjukkan tenaga yang disimpan dari masa ke masa untuk induktor dengan nilai yang sama.

Pada grafik keempat kita dapat melihat kenaikan arus melalui induktor yang sama, dengan menerapkan 10 V walaupun sekarang rintangan siri 1 Ohm dimasukkan secara bersiri dengan induktor.

Graf kelima menunjukkan tenaga yang tersimpan untuk induktor yang sama.

Di sini, jelas bahawa arus ini melalui induktor 10 µH melambung dengan cepat menuju nilai maksimum 10 A dalam kira-kira 50 ms. Namun hasil daripada perintang 1 ohm, ia hanya dapat menahan hampir 500 milijoule.

Oleh itu, arus melalui induktor 100 μH dan 1 mH meningkat dan tenaga yang disimpan cenderung tidak terjejas dengan rintangan siri sepanjang masa yang sama.