SMPS'de İndüktör Bobinin Rolü

Anahtarlamalı mod dönüştürücünün veya SMPS'nin en önemli unsuru indüktördür.

Enerji, kısa AÇIK süresi (t) sırasında indüktörün çekirdek malzemesinde manyetik alan şeklinde depolanır._açık) MOSFET veya bir BJT gibi bağlı anahtarlama elemanından geçer.

İndüktör SMPS'de Nasıl Çalışır?

Bu AÇIK periyodu sırasında voltaj, V, indüktör L boyunca uygulanır ve indüktörden geçen akım zamanla değişir.

Bu mevcut değişiklik endüktans tarafından 'sınırlandırılmıştır', bu nedenle, normalde aşağıdaki formül aracılığıyla matematiksel olarak temsil edilen bir SMPS indüktörü için alternatif bir isim olarak kullanılan ilgili kısma terimini buluyoruz:

di / dt = V / L

Anahtar kapatıldığında, indüktörde depolanan enerji serbest bırakılır veya 'geri teper'.

Sargılar boyunca gelişen manyetik alan, alanı tutmak için akım akışı veya voltajın olmaması nedeniyle çöker. Bu noktada çöken alan, orijinal olarak uygulanan anahtarlama voltajına zıt bir polariteye sahip olan bir ters voltaj oluşturan sargıları keskin bir şekilde 'keser'.

Bu voltaj, bir akımın aynı yönde hareket etmesine neden olur. Böylelikle indüktör sargısının girişi ve çıkışı arasında bir enerji değişimi gerçekleşir.

İndüktörün yukarıda açıklanan şekilde uygulanması, Lenz yasasının birincil uygulaması olarak görülebilir. Öte yandan, ilk bakışta, tıpkı bir kapasitör gibi bir indüktör içinde hiçbir enerji 'sonsuza kadar' depolanamayacak gibi görünüyor.

Süper iletken tel kullanılarak inşa edilmiş bir indüktör hayal edin. Bir anahtarlama potansiyeli ile 'yüklendikten' sonra, depolanan enerji muhtemelen bir manyetik alan şeklinde sonsuza kadar tutulabilir.

Bununla birlikte, bu enerjiyi hızlı bir şekilde çıkarmak tamamen farklı bir konu olabilir. Bir indüktör içinde saklanabilecek ne kadar enerji, indüktörün çekirdek malzemesinin doyma akı yoğunluğu, Bmax ile sınırlıdır.

Bu malzeme genellikle bir ferrittir. Bir indüktör doygunluğa girdiği anda, çekirdek malzeme daha fazla mıknatıslanma yeteneğini kaybeder.

Malzemenin içindeki tüm manyetik çift kutuplar hizalanır, böylece içinde manyetik alan olarak daha fazla enerji birikemez. Malzemenin doygunluk akı yoğunluğu genellikle çekirdek sıcaklığındaki değişikliklerden etkilenir ve bu, 100 ° C'de 25 ° C'deki orijinal değerinden% 50 düşebilir.

Kesin olarak, SMPS indüktör çekirdeğinin doygunluğu engellenmezse, akım, endüktif etki nedeniyle kontrolsüz olma eğilimindedir.

Bu artık yalnızca sargıların direnci ve kaynak kaynağının sağlayabileceği akım miktarı ile sınırlı hale gelir. Durum genellikle, çekirdeğin doymasını önlemek için uygun şekilde sınırlandırılan anahtarlama elemanının maksimum açık kalma süresi tarafından kontrol edilir.

İndüktör Voltajı ve Akımının Hesaplanması

Doygunluk noktasını kontrol etmek ve optimize etmek için, indüktör boyunca akım ve gerilim, tüm SMPS tasarımlarında uygun şekilde hesaplanır. Bir SMPS tasarımında anahtar faktör haline gelen, zamanla mevcut değişimdir. Bu şu şekilde verilir:

i = (Vin / L) t_açık

Yukarıdaki formül, indüktör ile seri olarak sıfır direnci kabul eder. Bununla birlikte, pratik olarak, anahtarlama elemanı, indüktör ve PCB yolu ile ilişkili direncin tümü, indüktör yoluyla maksimum akımı sınırlamaya katkıda bulunacaktır.

Bunun toplam 1 ohm olduğunu varsayalım ki bu oldukça makul görünüyor.

Böylece, indüktörden geçen Akım şimdi şu şekilde yorumlanabilir:

i = (V_içinde/ R) x (1 - e^{-t_açıkR / L})

Çekirdek Doygunluk Grafikleri

Aşağıda gösterilen grafiklere bakıldığında, ilk grafik, seri direnci olmayan 10 µH'lik bir indüktörden geçen ve seri olarak 1 Ohm yerleştirildiğinde akımdaki farkı gösterir.

Kullanılan voltaj 10 V'tur. Seri 'sınırlayıcı' direnç olmaması durumunda, akımın sonsuz bir zaman dilimi içinde hızlı ve sürekli olarak yükselmesine neden olabilir.

Açıkçası, bu mümkün olmayabilir, ancak rapor, bir indüktördeki akımın hızlı bir şekilde önemli ve potansiyel olarak tehlikeli büyüklüklere ulaşabileceğini vurgulamaktadır. Bu formül yalnızca indüktör doyma noktasının altında kaldığı sürece geçerlidir.

İndüktör çekirdeği doygunluğa ulaşır ulaşmaz, endüktif konsantrasyon akım artışını optimize edemez. Bu nedenle akım çok hızlı yükselir ve bu da denklemin tahmin aralığının çok ötesindedir. Doygunluk sırasında akım, normalde seri direnç ve uygulanan voltaj tarafından oluşturulan bir değerde sınırlanır.

Daha küçük indüktörler durumunda, içlerinden geçen akımdaki artışlar gerçekten hızlıdır, ancak öngörülen bir zaman dilimi içinde önemli seviyelerde enerji tutabilirler. Aksine, daha büyük indüktör değerleri yavaş akım artışını gösterebilir, ancak bunlar aynı öngörülen süre içinde yüksek enerji seviyelerini koruyamazlar.

Bu etkiye ikinci ve üçüncü grafiklerde tanık olunabilir; ilki, 10 V besleme kullanıldığında 10 uH, 100 uH ve 1 mH indüktörlerde akım artışı gösterir.

Grafik 3, aynı değerlere sahip indüktörler için zaman içinde depolanan enerjiyi göstermektedir.

Dördüncü grafikte, aynı indüktörlerden 10 V uygulayarak akım artışını görebiliriz, ancak şimdi indüktör ile seri olarak 1 Ohm'luk bir seri direnç yerleştirilmiştir.

Beşinci grafik, aynı indüktörler için depolanan enerjiyi göstermektedir.

Burada, 10 uH indüktörden geçen bu akımın kabaca 50 ms'de 10 A maksimum değere hızla yükseldiği açıktır. Bununla birlikte, 1 ohm'luk bir direncin bir sonucu olarak, yalnızca 500 milijoule'e yakın bir değerde tutabilir.

Bunu söyledikten sonra, 100 uH ve 1 mH indüktörlerden geçen akım yükselir ve depolanan enerji, aynı süre boyunca seri dirençten makul ölçüde etkilenmez.