Die Rolle der Induktorspule in SMPS

Das wichtigste Element eines Schaltwandlers oder eines SMPS ist die Induktivität.

Während der kurzen Einschaltdauer (t) wird Energie in Form eines Magnetfelds im Kernmaterial des Induktors gespeichert_auf) durch das angeschlossene Schaltelement wie MOSFET oder BJT geschaltet.

Wie der Induktor in SMPS funktioniert

Während dieser EIN-Periode wird die Spannung V an die Induktivität L angelegt, und der Strom durch die Induktivität ändert sich mit der Zeit.

Diese Stromänderung wird durch die Induktivität 'eingeschränkt', daher finden wir den verwandten Begriff Drossel, der normalerweise als alternativer Name für einen SMPS-Induktor verwendet wird und der mathematisch durch die Formel dargestellt wird:

di / dt = V / L.

Wenn der Schalter ausgeschaltet wird, wird die im Induktor gespeicherte Energie freigesetzt oder zurückgeworfen.

Das über den Wicklungen entwickelte Magnetfeld kollabiert aufgrund des Fehlens eines Stromflusses oder einer Spannung, um das Feld zu halten. Das an diesem Punkt kollabierende Feld 'schneidet' scharf durch die Wicklungen, wodurch eine Sperrspannung mit einer entgegengesetzten Polarität zu der ursprünglich angelegten Schaltspannung aufgebaut wird.

Diese Spannung bewirkt, dass sich ein Strom in die gleiche Richtung bewegt. Somit findet ein Energieaustausch zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Induktorwicklung statt.

Die Implementierung des Induktors in der oben erläuterten Weise kann als primäre Anwendung des Lenzschen Gesetzes angesehen werden. Andererseits scheint es zunächst so, als könne in einem Induktor keine Energie 'unendlich' gespeichert werden, wie dies bei einem Kondensator der Fall ist.

Stellen Sie sich einen Induktor vor, der aus supraleitendem Draht besteht. Einmal mit einem Schaltpotential 'aufgeladen', könnte die gespeicherte Energie möglicherweise in Form eines Magnetfeldes für immer festgehalten werden.

Das schnelle Extrahieren dieser Energie kann jedoch ein völlig anderes Problem sein. Wie viel Energie in einem Induktor gespeichert werden könnte, wird durch die Sättigungsflussdichte Bmax des Kernmaterials des Induktors begrenzt.

Dieses Material ist normalerweise ein Ferrit. In dem Moment, in dem ein Induktor in eine Sättigung gerät, verliert das Kernmaterial seine Fähigkeit, weiter magnetisiert zu werden.

Alle magnetischen Dipole im Material werden ausgerichtet, wodurch sich keine Energie mehr als Magnetfeld im Material ansammeln kann. Die Sättigungsflussdichte des Materials wird im Allgemeinen durch Änderungen der Kerntemperatur beeinflusst, die bei 100 ° C um 50% gegenüber dem ursprünglichen Wert bei 25 ° C abfallen können

Um genau zu sein, wenn der SMPS-Induktorkern nicht an der Sättigung gehindert wird, neigt der Strom durch den induktiven Effekt dazu, unkontrolliert zu werden.

Dies wird nun allein durch den Widerstand der Wicklungen und die Strommenge, die die Quellenversorgung liefern kann, begrenzt. Die Situation wird im Allgemeinen durch die maximale Einschaltdauer des Schaltelements gesteuert, die angemessen begrenzt ist, um eine Sättigung des Kerns zu verhindern.

Berechnung der Spannung und des Stroms der Induktivität

Um den Sättigungspunkt zu steuern und zu optimieren, werden Strom und Spannung über der Induktivität daher in allen SMPS-Konstruktionen angemessen berechnet. Es ist die aktuelle Änderung mit der Zeit, die zum Schlüsselfaktor in einem SMPS-Design wird. Dies ist gegeben durch:

i = (Vin / L) t_auf

Die obige Formel berücksichtigt einen Nullwiderstand in Reihe mit dem Induktor. In der Praxis trägt jedoch der Widerstand, der mit dem Schaltelement, der Induktivität sowie der Leiterplattenspur verbunden ist, dazu bei, den maximalen Strom über die Induktivität zu begrenzen.

Nehmen wir einen Widerstand von insgesamt 1 Ohm an, was durchaus vernünftig erscheint.

Somit kann der Strom durch den Induktor nun wie folgt interpretiert werden:

i = (V._im/ R) x (1 - e^{-t_aufR / L.})

Kernsättigungsdiagramme

Unter Bezugnahme auf die unten gezeigten Diagramme zeigt das erste Diagramm die Stromdifferenz durch einen 10-µH-Induktor ohne Serienwiderstand und wenn 1 Ohm in Reihe geschaltet ist.

Die verwendete Spannung beträgt 10 V. Falls kein Serienbegrenzungswiderstand vorhanden ist, kann dies dazu führen, dass der Strom über einen unendlichen Zeitraum schnell und kontinuierlich ansteigt.

Dies ist möglicherweise nicht möglich, der Bericht betont jedoch, dass der Strom in einem Induktor schnell erhebliche und potenziell gefährliche Größen erreichen kann. Diese Formel gilt lediglich, solange der Induktor unter dem Sättigungspunkt bleibt.

Sobald der Induktorkern die Sättigung erreicht, kann die induktive Konzentration den Stromanstieg nicht optimieren. Daher steigt der Strom sehr schnell an, was einfach außerhalb des Vorhersagebereichs der Gleichung liegt. Während der Sättigung wird der Strom auf einen Wert begrenzt, der normalerweise durch den Serienwiderstand und die angelegte Spannung festgelegt wird.

Bei kleineren Induktoren ist der Anstieg des Stroms durch sie sehr schnell, sie können jedoch innerhalb eines festgelegten Zeitrahmens erhebliche Energieniveaus behalten. Im Gegensatz dazu können größere Induktorwerte einen langsamen Stromanstieg zeigen, aber diese können nicht innerhalb der festgelegten festgelegten Zeit hohe Energieniveaus halten.

Dieser Effekt ist im zweiten und dritten Diagramm zu sehen, wobei das erstere einen Anstieg des Stroms in Induktoren mit 10 µH, 100 µH und 1 mH zeigt, wenn eine 10-V-Versorgung verwendet wird.

Grafik 3 zeigt die über die Zeit gespeicherte Energie für Induktivitäten mit denselben Werten.

Im vierten Diagramm können wir den Stromanstieg durch dieselben Induktivitäten sehen, indem 10 V angelegt werden, obwohl jetzt ein Serienwiderstand von 1 Ohm in Reihe mit dem Induktor eingefügt ist.

Das fünfte Diagramm zeigt die Energie, die für dieselben Induktoren gespeichert ist.

Hier ist ersichtlich, dass dieser Strom durch den 10 & mgr; H-Induktor in ungefähr 50 ms schnell in Richtung des 10 A-Maximalwerts ansteigt. Aufgrund des 1-Ohm-Widerstands können jedoch nur nahezu 500 Millijoule zurückgehalten werden.

Allerdings steigt der Strom durch die Induktivitäten von 100 µH und 1 mH an und die gespeicherte Energie wird über den gleichen Zeitraum von dem Serienwiderstand nicht beeinflusst.