Роль катушки индуктивности в ИИП

Наиболее важным элементом импульсного преобразователя или SMPS является индуктор.

Энергия накапливается в виде магнитного поля в материале сердечника индуктора в течение короткого периода включения (t_на) переключается через подключенный переключающий элемент, такой как MOSFET или BJT.

Как работает индуктор в SMPS

В течение этого периода включения напряжение V прикладывается к катушке индуктивности L, и ток через катушку индуктивности изменяется со временем.

Это изменение тока `` ограничивается '' индуктивностью, поэтому мы находим связанный термин дроссель, обычно используемый в качестве альтернативного названия для индуктора SMPS, который математически представлен формулой:

di / dt = V / L

Когда переключатель выключен, энергия, накопленная в катушке индуктивности, высвобождается или «отбрасывается назад».

Магнитное поле, создаваемое поперек обмоток, разрушается из-за отсутствия тока или напряжения, удерживающего поле. Коллапсирующее поле в этой точке резко «прорезает» обмотки, создавая обратное напряжение, полярность которого противоположна первоначально приложенному коммутирующему напряжению.

Это напряжение заставляет ток двигаться в том же направлении. Таким образом, происходит обмен энергией между входом и выходом обмотки индуктора.

Реализация индуктора описанным выше способом может быть засвидетельствована как основное применение закона Ленца. С другой стороны, сначала кажется, что никакая энергия не может храниться «бесконечно» в катушке индуктивности, как в конденсаторе.

Представьте себе индуктор, построенный из сверхпроводящего провода. Однажды «заряженная» переключающим потенциалом, накопленная энергия могла бы храниться вечно в форме магнитного поля.

Однако быстрое извлечение этой энергии может быть совершенно другим вопросом. Количество энергии, которое может храниться в индукторе, ограничено плотностью потока насыщения Bmax материала сердечника индуктора.

Этот материал обычно представляет собой феррит. В тот момент, когда индуктор достигает насыщения, материал сердечника теряет способность к дальнейшему намагничиванию.

Все магнитные диполи внутри материала выравниваются, поэтому энергия больше не может накапливаться в виде магнитного поля внутри него. Плотность потока насыщения материала обычно зависит от изменений внутренней температуры, которая может упасть на 50% на 100 ° C по сравнению с исходным значением при 25 ° C.

Если быть точным, если не предотвратить насыщение сердечника индуктора SMPS, сквозной ток имеет тенденцию становиться неконтролируемым из-за индуктивного эффекта.

Теперь это ограничивается только сопротивлением обмоток и величиной тока, которую может обеспечить источник питания. Ситуация, как правило, регулируется максимальным временем включения переключающего элемента, которое соответствующим образом ограничено для предотвращения насыщения сердечника.

Расчет напряжения и тока индуктора

Таким образом, чтобы контролировать и оптимизировать точку насыщения, ток и напряжение на катушке индуктивности надлежащим образом рассчитываются во всех конструкциях SMPS. Именно текущее изменение со временем становится ключевым фактором в конструкции SMPS. Это дает:

i = (Vin / L) t_на

Приведенная выше формула учитывает нулевое сопротивление последовательно с индуктором. Однако на практике сопротивление, связанное с переключающим элементом, катушкой индуктивности, а также дорожкой печатной платы, будет способствовать ограничению максимального тока через катушку индуктивности.

Предположим, что общее сопротивление составляет 1 Ом, что кажется вполне разумным.

Таким образом, ток через катушку индуктивности теперь можно интерпретировать как:

я = (V_в/ R) x (1 - e^{-t_наR / L})

Графики насыщенности ядра

Ссылаясь на графики, показанные ниже, первый график показывает разницу в токе через катушку индуктивности 10 мкГн без последовательного сопротивления и при последовательном включении 1 Ом.

Используемое напряжение составляет 10 В. Если нет какого-либо последовательного «ограничивающего» сопротивления, это может привести к быстрому и непрерывному скачку тока в течение бесконечного периода времени.

Ясно, что это может быть невозможно, однако в отчете подчеркивается, что ток в катушке индуктивности может быстро достичь значительных и потенциально опасных величин. Эта формула действительна до тех пор, пока индуктор остается ниже точки насыщения.

Как только сердечник индуктора достигает насыщения, индуктивная концентрация не может оптимизировать рост тока. Следовательно, ток растет очень быстро, что просто выходит за пределы прогнозируемого диапазона уравнения. Во время насыщения ток ограничивается значением, обычно устанавливаемым последовательным сопротивлением и приложенным напряжением.

В случае катушек индуктивности меньшего размера увеличение тока через них происходит очень быстро, но они могут сохранять значительный уровень энергии в течение установленного периода времени. Напротив, большие значения индуктивности могут показывать медленный рост тока, но они не могут сохранять высокие уровни энергии в течение того же установленного времени.

Этот эффект можно увидеть на втором и третьем графиках, первый демонстрирует рост тока в индукторах 10 мкГн, 100 мкГн и 1 мГн при использовании источника питания 10 В.

График 3 показывает энергию, запасенную во времени для катушек индуктивности с одинаковыми значениями.

На четвертом графике мы можем видеть рост тока через те же катушки индуктивности при подаче напряжения 10 В, хотя теперь последовательно с катушкой индуктивности вставлено последовательное сопротивление в 1 Ом.

Пятый график демонстрирует энергию, запасенную для тех же катушек индуктивности.

Здесь очевидно, что этот ток через катушку индуктивности 10 мкГн быстро достигает максимального значения 10 А примерно за 50 мс. Однако из-за резистора на 1 Ом он может удерживать только около 500 миллиджоулей.

При этом ток через катушки индуктивности 100 мкГн и 1 мГн возрастает, и на накопленную энергию, как правило, не влияет последовательное сопротивление в течение того же времени.