Uloga induktorske zavojnice u SMPS-u

Najvažniji element preklopnog modula pretvarača ili SMPS-a je prigušnica.

Energija se pohranjuje u obliku magnetskog polja u materijalu jezgre induktora tijekom kratkog razdoblja UKLJ_na) prebačen kroz povezani preklopni element kao što je MOSFET ili BJT.

Kako induktor radi u SMPS-u

Tijekom tog perioda uključivanja napon, V, primjenjuje se na induktor, L, a struja kroz induktor mijenja se s vremenom.

Ova trenutna promjena je 'ograničena' induktivitetom, stoga pronalazimo srodni pojam prigušnica koji se obično koristi kao alternativni naziv SMPS induktora, koji je matematički prikazan formulom:

di / dt = V / L

Kad je prekidač isključen, energija pohranjena u induktoru se oslobađa ili 'vraća natrag'.

Magnetsko polje razvijeno na namotima se urušava uslijed odsutnosti struje ili napona koji bi zadržavali polje. Polje urušavanja u ovom trenutku naglo 'presijeca' namote, što stvara reverzni napon suprotne polarnosti onom izvorno primijenjenom preklopnom naponu.

Ovaj napon uzrokuje pomicanje struje u istom smjeru. Tako se događa izmjena energije između ulaza i izlaza namota induktora.

Provedba induktora na gore objašnjeni način može se posvjedočiti kao primarna primjena Lenzovog zakona. S druge strane, isprva se čini da se niti jedna energija ne bi mogla pohraniti 'beskonačno' unutar induktora baš poput kondenzatora.

Zamislite induktor izgrađen pomoću supravodljive žice. Jednom kad se 'napuni' preklopnim potencijalom, uskladištena energija mogla bi se zauvijek zadržati u obliku magnetskog polja.

Međutim, brzo izdvajanje ove energije može biti sasvim drugo pitanje. Kolika je energija koja bi se mogla staviti u induktor ograničena je gustoćom zasićenog toka, Bmax, materijala jezgre induktora.

Ovaj je materijal obično ferit. U trenutku kad induktor naiđe na zasićenje, materijal jezgre gubi sposobnost daljnjeg magnetiziranja.

Svi magnetski dipoli unutar materijala poravnavaju se, tako da se više energija ne može akumulirati kao magnetsko polje unutar njega. Na gustoću protoka zasićenja materijala općenito utječu promjene temperature jezgre, koje mogu pasti za 50% na 100 ° C od izvorne vrijednosti pri 25 ° C

Točnije, ako se SMPS induktorskoj jezgri ne spriječi zasićenje, struja kroz indukcijski učinak obično postaje nekontrolirana.

Ovo sada postaje ograničeno otporom namota i količinom struje koju izvor napajanja može pružiti. Situacijom se obično upravlja maksimalno vrijeme uključivanja preklopnog elementa koje je prikladno ograničeno kako bi se spriječilo zasićenje jezgre.

Izračunavanje napona i struje prigušnice

Za kontrolu i optimizaciju točke zasićenja, struja i napon na induktoru se na taj način prikladno izračunavaju u svim SMPS izvedbama. Trenutna promjena s vremenom postaje ključni faktor u dizajnu SMPS-a. To daje:

i = (Vin / L) t_na

Gornja formula uzima u obzir nulti otpor u nizu s prigušnicom. Međutim, praktički će otpor povezan s preklopnim elementom, prigušnicom, kao i stanicom PCB-a, pridonijeti ograničavanju maksimalne struje kroz prigušnicu.

Pretpostavimo da je otpor ovo ukupno 1 ohm, što se čini sasvim razumnim.

Tako se struja kroz prigušnicu sada može tumačiti kao:

i = (V_u/ R) x (1 - e^{-t_naR / L})

Grafovi zasićenja jezgre

Pozivajući se na grafikone prikazane ispod prvog grafikona, prikazuje se razlika u struji kroz induktor od 10 µH bez serijskog otpora i kada je 1 Ohm umetnut u seriju.

Upotrijebljeni napon je 10 V. U slučaju da ne postoji niz 'ograničavajućih' otpora, struja može brzo i kontinuirano rasti tijekom beskonačnog vremenskog okvira.

Jasno je da to možda nije izvedivo, no u izvješću se naglašava da bi struja u induktoru mogla brzo postići značajne i potencijalno opasne veličine. Ova formula vrijedi samo dok induktor ostaje ispod točke zasićenja.

Čim jezgra induktora dosegne zasićenost, induktivna koncentracija nije u mogućnosti optimizirati porast struje. Stoga struja raste vrlo brzo što je jednostavno izvan područja predviđanja jednadžbe. Tijekom zasićenja struja se ograničava na vrijednost koja se normalno utvrđuje serijskim otporom i primijenjenim naponom.

U slučaju manjih prigušnica, porast struje kroz njih je stvarno brz, ali oni mogu zadržati značajne razine energije u predviđenom vremenskom okviru. Suprotno tome, veće vrijednosti induktora mogu pokazivati ​​usporeni porast struje, ali one nisu u stanju zadržati visoku razinu energije u istom predviđenom vremenu.

O ovom se učinku može svjedočiti na drugom i trećem grafikonu, a prvi pokazuje porast struje u induktorima od 10 µH, 100 µH i 1 mH kada se koristi napajanje od 10 V.

Grafikon 3 prikazuje energiju pohranjenu tijekom vremena za prigušnice s istim vrijednostima.

Na četvrtom grafikonu možemo vidjeti porast struje kroz iste prigušnice, primjenom 10 V, iako je sada serijski otpor od 1 Ohm umetnut u seriju s prigušnicom.

Peti graf prikazuje energiju pohranjenu za iste induktore.

Ovdje je očito da se ova struja kroz induktor od 10 µH brzo vinu prema maksimalnoj vrijednosti od 10 A za otprilike 50 ms. Međutim, kao rezultat otpora od 1 ohma, on može zadržati samo blizu 500 milidžula.

Kad smo to već rekli, struja kroz induktore od 100 µH i 1 mH raste, a akumulirana energija obično ne utječe na serijski otpor kroz isto vrijeme.