Najważniejszym elementem konwertera impulsowego lub SMPS jest cewka indukcyjna.
Energia jest magazynowana w postaci pola magnetycznego w materiale rdzenia cewki podczas krótkiego okresu załączenia (tna) przełączane przez podłączony element przełączający, taki jak MOSFET lub BJT.
Jak działa cewka w SMPS
Podczas tego okresu włączenia napięcie V jest przykładane do cewki indukcyjnej L, a prąd przez cewkę zmienia się w czasie.
Ta obecna zmiana jest `` ograniczona '' przez indukcyjność, dlatego znajdujemy powiązany termin dławik zwykle używany jako alternatywna nazwa cewki indukcyjnej SMPS, która jest matematycznie reprezentowana za pomocą wzoru:
di / dt = V / L
Kiedy wyłącznik jest wyłączony, energia zmagazynowana w cewce jest uwalniana lub „odrzucana”.
Pole magnetyczne powstałe w poprzek uzwojeń zanika z powodu braku przepływu prądu lub napięcia utrzymującego pole. Zapadające się pole w tym miejscu ostro „przecina” uzwojenia, które wytwarza napięcie wsteczne o biegunowości przeciwnej do pierwotnie przyłożonego napięcia przełączania.
To napięcie powoduje, że prąd płynie w tym samym kierunku. W ten sposób zachodzi wymiana energii między wejściem i wyjściem uzwojenia cewki indukcyjnej.
Implementacja induktora w wyżej wyjaśniony sposób może być postrzegana jako podstawowe zastosowanie prawa Lenza. Z drugiej strony, na początku wydaje się, że żadna energia nie może być magazynowana „w nieskończoność” wewnątrz cewki indukcyjnej, tak jak kondensator.
Wyobraź sobie cewkę indukcyjną zbudowaną z drutu nadprzewodzącego. Po „naładowaniu” potencjałem przełączania zmagazynowana energia może być utrzymywana na zawsze w postaci pola magnetycznego.
Jednak szybkie wydobycie tej energii może być zupełnie innym problemem. Ilość energii, która może zostać zmagazynowana w cewce indukcyjnej, jest ograniczona przez gęstość strumienia nasycenia Bmax materiału rdzenia cewki.
Ten materiał jest zwykle ferrytem. Z chwilą nasycenia cewki indukcyjnej materiał rdzenia traci zdolność do dalszego namagnesowania.
Wszystkie dipole magnetyczne wewnątrz materiału są wyrównane, przez co energia nie jest już w stanie gromadzić się w postaci pola magnetycznego wewnątrz materiału. Na gęstość strumienia nasycenia materiału na ogół wpływają zmiany temperatury rdzenia, która może spaść o 50% w 100 ° C w stosunku do pierwotnej wartości przy 25 ° C
Mówiąc dokładniej, jeśli rdzeń cewki indukcyjnej SMPS nie jest zabezpieczony przed nasyceniem, przepływający prąd ma tendencję do niekontrolowania z powodu efektu indukcyjnego.
Teraz jest to ograniczone wyłącznie przez rezystancję uzwojeń i ilość prądu, jaki jest w stanie dostarczyć źródło. Sytuacja jest generalnie kontrolowana przez maksymalny czas włączenia elementu przełączającego, który jest odpowiednio ograniczony, aby zapobiec nasyceniu rdzenia.
Obliczanie napięcia i prądu cewki indukcyjnej
Aby kontrolować i optymalizować punkt nasycenia, prąd i napięcie na cewce są odpowiednio obliczane we wszystkich projektach SMPS. To bieżąca zmiana w czasie staje się kluczowym czynnikiem w projekcie SMPS. Daje to:
i = (Vin / L) tna
Powyższy wzór uwzględnia zerową rezystancję szeregowo z cewką. Praktycznie jednak rezystancja związana z elementem przełączającym, cewką indukcyjną, a także ścieżką PCB będzie przyczyniać się do ograniczenia maksymalnego prądu przez cewkę.
Załóżmy, że rezystancja wynosi łącznie 1 om, co wydaje się całkiem rozsądne.
Zatem prąd płynący przez cewkę można teraz zinterpretować jako:
i = (Vw/ R) x (1 - e-tnaR / L)
Wykresy nasycenia rdzenia
Odnosząc się do wykresów pokazanych poniżej, pierwszy wykres przedstawia różnicę prądu płynącego przez cewkę indukcyjną 10 µH bez rezystancji szeregowej i po podłączeniu szeregowo 1 Ohm.
Stosowane napięcie wynosi 10 V. W przypadku braku rezystancji „ograniczającej” szeregowej, może powodować gwałtowny i ciągły wzrost prądu w nieskończonym czasie.
Oczywiście może to być niewykonalne, jednak raport podkreśla, że prąd w cewce indukcyjnej może szybko osiągnąć znaczną i potencjalnie niebezpieczną wielkość. Ten wzór jest ważny tylko tak długo, jak induktor pozostaje poniżej punktu nasycenia.
Gdy tylko rdzeń cewki indukcyjnej osiągnie nasycenie, stężenie indukcyjne nie jest w stanie zoptymalizować wzrostu prądu. Dlatego prąd rośnie bardzo szybko, co po prostu wykracza poza zakres przewidywania równania. Podczas nasycania prąd zostaje ograniczony do wartości normalnie ustalonej przez rezystancję szeregową i przyłożone napięcie.
W przypadku mniejszych cewek wzrost prądu przez nie jest naprawdę szybki, ale mogą one utrzymać znaczny poziom energii w określonych ramach czasowych. Wręcz przeciwnie, większe wartości induktora mogą wskazywać na powolny wzrost prądu, ale nie są one w stanie utrzymać wysokich poziomów energii w tym samym określonym czasie.
Efekt ten można zaobserwować na drugim i trzecim wykresie, przy czym pierwszy z nich pokazuje wzrost prądu w cewkach indukcyjnych 10 µH, 100 µH i 1 mH, gdy wykorzystywane jest zasilanie 10V.
Wykres 3 przedstawia energię zmagazynowaną w czasie dla cewek o tych samych wartościach.
Na czwartym wykresie możemy zobaczyć wzrost prądu przez te same cewki indukcyjne, stosując 10 V, chociaż teraz rezystancja szeregowa 1 Ohm jest umieszczona szeregowo z cewką.
Piąty wykres przedstawia energię zmagazynowaną przez te same induktory.
Tutaj widać, że ten prąd płynący przez cewkę 10 µH gwałtownie rośnie w kierunku wartości maksymalnej 10 A w około 50 ms. Jednak dzięki rezystorowi 1 om jest w stanie utrzymać tylko blisko 500 milidżuli.
Powiedziawszy to, prąd przepływający przez cewki indukcyjne 100 µH i 1 mH wzrasta, a zmagazynowana energia jest zwykle niezmieniona z rezystancją szeregową w tym samym czasie.
Poprzedni: Modyfikacja konwertera Buck XL4015 z regulowanym ogranicznikiem prądu Dalej: Proste obwody i projekty FET