Ang Papel ng Inductor Coil sa SMPS

Ang pinakamahalagang elemento ng isang switch mode mode o isang SMPS ay ang inductor.

Ang enerhiya ay nakaimbak sa anyo ng isang magnetic field sa pangunahing materyal ng inductor sa panahon ng maikling ON (t_sa) lumipat sa pamamagitan ng konektadong elemento ng paglipat tulad ng MOSFET o isang BJT.

Paano Gumagana ang Inductor sa SMPS

Sa panahon ng boltahe na ON period na ito, ang V, ay inilapat sa buong inductor, L, at ang kasalukuyang sa pamamagitan ng mga pagbabago ng inductor na may oras.

Ang kasalukuyang pagbabago na ito ay 'pinaghihigpitan' ng inductance, samakatuwid nakita namin ang nauugnay na term na mabulunan na karaniwang ginagamit bilang isang kahaliling pangalan para sa isang SMPS inductor, na kinatawan ng matematika sa pamamagitan ng pormula:

di / dt = V / L

Kapag naka-off ang switch, ang enerhiya na nakaimbak sa inductor ay pinakawalan o 'kicked back'.

Ang magnetikong patlang na binuo sa kabila ng mga paikot-ikot ay bumagsak dahil sa kawalan ng kasalukuyang daloy o boltahe upang hawakan ang patlang. Ang bumagsak na patlang sa puntong ito ay matalas na 'pinuputol' sa pamamagitan ng paikot-ikot, na nagtatayo ng isang pabalik na boltahe na may isang kabaligtaran na polarity sa orihinal na inilapat na boltahe ng paglipat.

Ang boltahe na ito ay sanhi ng isang kasalukuyang ilipat sa parehong direksyon. Ang isang palitan ng enerhiya ay nangyayari sa pagitan ng input at output ng paikot-ikot na inductor.

Ang pagpapatupad ng inductor sa naipaliwanag na pamamaraan sa itaas ay maaaring masaksihan bilang pangunahing aplikasyon ng batas ni Lenz. Sa kabilang banda, sa una tila walang enerhiya na maiimbak na 'walang hanggan' sa loob ng isang inductor tulad ng isang kapasitor.

Pag-isipan ang isang inductor na binuo gamit ang superconducting wire. Kapag 'nasingil' na may potensyal na paglipat, ang nakaimbak na enerhiya ay maaaring gaganapin magpakailanman sa anyo ng isang magnetic field.

Gayunpaman, ang mabilis na pagkuha ng enerhiya na ito ay maaaring isang ganap na magkakaibang isyu. Kung magkano ang enerhiya na maaaring mai-stash sa loob ng isang inductor ay pinaghihigpitan ng saturation flux density, Bmax, ng pangunahing materyal ng inductor.

Ang materyal na ito ay karaniwang isang ferrite. Sa sandaling ang isang inductor ay tumatakbo sa isang saturation, ang pangunahing materyal ay nawawalan ng kakayahang makakuha ng karagdagang magnet.

Ang lahat ng mga magnetic dipole sa loob ng materyal ay nakahanay, sa gayon walang mas lakas na maipon bilang isang magnetic field sa loob nito. Ang saturation flux density ng materyal ay pangkalahatang apektado ng mga pagbabago sa pangunahing temperatura, na maaaring bumaba ng 50% sa 100 ° C kaysa sa orihinal na halaga nito sa 25 ° C

Upang maging tumpak, kung ang core ng inductor ng SMPS ay hindi maiiwasan mula sa saturating, ang kasalukuyang dumadaan ay may gawi na maging walang kontrol dahil sa hindi kanais-nais na epekto.

Ngayon lamang ito ay nagiging limitado sa paglaban ng mga paikot-ikot at ang dami ng kasalukuyang mapagkukunan ng mapagkukunan ay maibibigay. Ang sitwasyon ay karaniwang kinokontrol ng maximum na on-time ng elemento ng paglipat na naaangkop na limitado upang maiwasan ang saturation ng core.

Kinakalkula ang Inductor Boltahe at Kasalukuyang

Upang makontrol at ma-optimize ang punto ng saturation, ang kasalukuyang at boltahe sa buong inductor ay naaangkop na kinakalkula sa lahat ng mga disenyo ng SMPS. Ito ang kasalukuyang pagbabago sa oras na naging pangunahing kadahilanan sa isang disenyo ng SMPS. Ibinigay ito ng:

i = (Vin / L) t_sa

Isinasaalang-alang ng formula sa itaas ang isang zero na paglaban sa serye kasama ang inductor. Gayunpaman, praktikal, ang paglaban na nauugnay sa elemento ng paglipat, inductor, pati na rin ang track ng PCB ay magbibigay ng lahat upang malimitahan ang maximum na kasalukuyang sa pamamagitan ng inductor.

Ipagpalagay natin ang isang paglaban na ito sa isang kabuuang 1 ohm, na tila medyo makatwiran.

Sa gayon ang Kasalukuyan sa pamamagitan ng inductor ay maaaring maipaliwanag bilang:

i = (V_sa/ R) x (1 - e^{-t_saR / L})

Mga Core na Grap ng saturation

Ang pagtukoy sa mga grap na ipinapakita sa ibaba ng unang grap ay nagpapakita ng pagkakaiba sa kasalukuyan sa pamamagitan ng isang 10 µH inductor na walang paglaban sa serye, at kapag ang 1 Ohm ay naipasok sa serye.

Ang ginamit na boltahe ay 10 V. Kung sakaling walang serye na 'nililimitahan' ang paglaban, maaaring maging sanhi ng kasalukuyang mabilis na pag-alon at tuloy-tuloy sa isang walang katapusang time frame.

Malinaw, maaaring hindi ito magagawa, subalit binibigyang diin ng ulat na ang kasalukuyang nasa isang inductor ay maaaring mabilis na makamit ang malalaki at potensyal na mapanganib na lakas. Ang formula na ito ay wasto lamang hangga't ang inductor ay mananatili sa ibaba ng saturation point.

Sa sandaling maabot ng core ng inductor ang saturation, ang inductive konsentrasyon ay hindi ma-optimize ang kasalukuyang pagtaas. Samakatuwid ang kasalukuyang tumataas nang napakabilis na lampas sa saklaw ng hula ng equation. Sa panahon ng saturation, ang kasalukuyang nahihigpitan sa isang halagang karaniwang itinatag ng paglaban ng serye at inilapat na boltahe.

Sa kaso ng mas maliit na inductors ang pagtaas sa kasalukuyang sa pamamagitan ng mga ito ay talagang mabilis, ngunit maaari nilang panatilihin ang mga makabuluhang antas ng enerhiya sa loob ng isang itinakdang timeframe. Sa kabaligtaran, ang mas malaking mga halaga ng inductor ay maaaring magpakita ng matamlay na kasalukuyang pagtaas sa pamamagitan ng, ngunit hindi nito mapapanatili ang mataas na antas ng enerhiya sa loob ng parehong itinakdang oras.

Ang epektong ito ay maaaring masaksihan sa pangalawa at pangatlong grap, ang dating nagpapakita ng pagtaas sa kasalukuyang nasa 10 µH, 100 µH, at 1 mH inductors kapag ginamit ang isang supply ng 10V.

Ipinapahiwatig ng grap 3 ang enerhiya na nakaimbak sa paglipas ng panahon para sa mga inductor na may parehong halaga.

Sa ika-apat na grap maaari nating makita ang kasalukuyang pagtaas sa pamamagitan ng parehong mga inductor, sa pamamagitan ng paglalapat ng isang 10 V bagaman ngayon isang serye ng paglaban ng 1 Ohm ay isinasok sa serye kasama ang inductor.

Ang ikalimang grap ay nagpapakita ng enerhiya na nakaimbak para sa parehong inductors.

Dito, maliwanag na ang kasalukuyang ito sa pamamagitan ng 10 µH inductor ay mabilis na umakyat patungo sa 10 Isang maximum na halaga sa halos 50 ms. Gayunpaman bilang isang resulta ng 1 ohm risistor na ito ay makapanatili lamang malapit sa 500 millijoules.

Nasabi na, kasalukuyang sa pamamagitan ng 100 µH at 1 mH inductors ay tumataas at ang nakaimbak na enerhiya ay may posibilidad na hindi apektado sa paglaban ng serye sa parehong dami ng oras.