EN
'n Induktor is 'n algemene energie-opstoring passiewe komponent in skakels, wat rolle soos filtrering, versterking en afbou speel in die ontwerp van skakelings vir switseringskrigelwerings. Tydens die vroeë stadium van skemaontwerp moet ingenieurs nie net geskikte induksie-waardes kies nie, maar ook die stroom oorweeg wat die induktor kan verdrags, die DCR van die spoel, meganiese afmetings, verliese, ens. As hulle nie genoeg bekend is met die funksies van induktors nie, sal hulle dikwels passief wees in die ontwerp en baie tyd verbruik.
Verstaan die Funksies van Induktors
'n Induktor is die "L" in die LC-filter skakeling by die uitset van 'n switseringskrigelwerings. In afbou-omskakeling word een kant van die induktor aan die DC-uitsetspanning gekoppel, terwyl die ander kant tussen die invoer-spanning en GND omskakel volgens die switseringsfrekwensie.
In toestand 1 word die induktor aan die invoer-spanning deur die MOSFET gekoppel. In toestand 2 word die induktor aan GND gekoppel.
As gevolg van die gebruik van hierdie tipe beheerder, is daar twee maniere om die induktor te grond: gronding deur 'n diode of deur 'n MOSFET. As die eerste metode aangeneem word, word die omskakelaar as asinkron modus beskou. In die laaste geval word die omskakelaar as 'n simmetriese modus verwys.
In toestand 1, is een kant van die induktor verbonden aan die insetspanning, en die ander kant is verbonden aan die uitsetspanning. Vir 'n buck-omskakelaar, moet die insetspanning hoër wees as die uitsetspanning, so dat 'n voorwaartse spanningstrop oor die induktor gevorm word.
In toestand 2, word die kant van die induktor wat oorspronklik aan die insetspanning gekoppel was, nou aan die grond gekoppel. Vir 'n buck-omskakelaar, is die uitsetspanning noodsaaklik die positiewe terminal, so dat 'n negatiewe spanningstrop oor die induktor gevorm word.
Induktor Spanningsberekeningformule
V=L(dI/dt). Aangesien die stroom deur die induktor toeneem wanneer die induktorspanning positief is (Toestand 1) en afneem wanneer die spanning negatief is (Toestand 2), word die induktorstroomgolf getoon in Figuur 2:
Uit die bostaande figuur kan ons sien dat die maksimumstroom deur die induktor die GDS-stroom is plus die helfte van die skakelingspiek-na-piekstroom. Die bostaande figuur wys ook die rippelstroom. Volgens die formule wat bostaan genoem is, kan die piekstroom as volg bereken word: waarin ton die tyd in Toestand 1 is, T die skakelperiode is, en DC die werfswysigheid van Toestand 1 is.
Gelyktydige Omskakelingssirkel
Niet-gelyktydige Omskakelingssirkel
Rs: Die kombinerte weerstand van die stroom-sensorweerstand en die induktorwindingsweerstand. Vf: Die voorspoedspanningsval van die Schottky-diod. R: Die totale weerstand in die geleiingspad, bereken as R=Rs+Rm, waar die MOSFET-aanstekeweerstand is.
Versturing van Induktor Kern
Van die berekende induktor piekstroom weet ons dat, soos die stroom deur die induktor toeneem, sy induksie sal afneem. Dit word bepaal deur die fisiese eienskappe van die kernmateriaal. Die graad van induksieafname is krities: as die afname te ernstig is, sal die omvormer nie normaal funksioneer nie. Die stroom waarby die induktor faal as gevolg van oorstroom word die versturingsstroom genoem, 'n fundamentele parameter van die induktor.
Die versturingskurwe van maginduktors in omvormersirkuite is kruisend en verdien aandag. Om hierdie konsep te verstaan, kan jy die werklik gemeet kurwe van L teenoor DC-stroom waarnem.
Wanneer die stroom bo 'n sekere drempel toeneem, daal induksie skerp—'n verskynsel wat versturing genoemd word. Verdere stroomtoename kan veroorsaak dat die induktor heeltemal faal.
Met hierdie versturingkenmerk kan ons verstaan waarom al die omskakelaars die variasiebereik van die induktansiewaarde (△L ≤ 20% of 30%) onder die DC-uitgangsstromspesifisering gee, en waarom die spoelspesifikasie die parameter Isat insluit. Aangesien die verandering in rimpelstroom nie aansienlik die induktansie beïnvloed nie, word dit in alle toepassings beplan om die rimpelstroom soveel as moontlik te minimaliseer, aangesien dit die rimpeling van die uitgangsspanning beïnvloed. Dit is waarom daar altyd 'n groot bekommernis bestaan oor die mate van induktansievermindering onder DC-uitgangsstrom, terwyl die induktansie onder rimpelstroom dikwels in die spesifikasies oorgeskiet word.
Seleksie van Geskikte Spoels vir Skakelspanvoerders
Induktors word algemeen as komponente in skakelingspanvoerders gebruik. As gevolg van die fasedifferensie tussen hul stroom en spanning, is die verlies teoreties nul. Induktors dien gewoonlik as energie-opslagtigelemente, met die kenmerk van "teenkoms en uitgaan behou," en word dikwels saam met kapasitors in invoer- en uitvoerfilterkrinkels gebruik om die stroom te gladstrik.
As magneetkundige komponente, het induktors intrinsiek die vraagstuk van magneetkundige vertering. Sommige toepassings laat induktor-vertering toe, ander toelaat vertering wat begin by 'n sekere stroomwaarde, terwyl ander dit streng verbied, wat verskil in spesifieke skakels vereis. In die meeste gevalle werk induktors in die "lineêre gebied", waar die indukansiewaarde konstant bly en nie verander met terminale spanning of stroom nie. Veranderbare spanningsvoerders egter het 'n nie-onbeduidbare probleem: die induktorwindings voeg twee verspreide (of parastiese) parameters by. Een is die onvermydelike windingweerstand, en die ander is die verspreide loskapasiteit wat verwant is aan die windingproses en materiaal. Loskapasiteit het min invloed by lae frekwensies, maar word al hoe meer duidelik na mate die frekwensie styg. Wanneer die frekwensie 'n sekere waarde oorskryd, kan die induktor kapasitiewe eienskappe vertoon. As die loskapasiteit as 'n enkele kapasitor saamgevat word, wys die ekwivalente skakeling van die induktor sy kapasitiewe gedrag voorby 'n spesifieke frekwensie.
Wanneer die operasionele status van 'n induktor in 'n skakeling geanaliseer word, moet die volgende kenmerke oorweeg word:
1. Wanneer 'n stroom I deur 'n induktor L vloei, is die energie wat in die induktor opgesluit word: E=0.5 × L× I2(1)
2. In 'n skakelingsiklus is die verhouding tussen die induktor-stroomvariasie (piek-teen-piek rippelstroom) en die spanning oor die induktor:
V=(L × di)/dt(2), Dit wys dat die grootte van die rippelstroom verwant is aan die induktansiewaarde.
3. Induktors gaan ook deur laai- en ontlaaiproesses. Die stroom deur 'n induktor is proporsioneel tot die integraal van die spanning (volt-seconde) oor dit. So lank as die induktor-spanning verander, sal die stroomveranderingskoers di/dt ook verander: 'n Vorentwaarts-spanning laat die stroom lineêr styg, terwyl 'n teenoorgestelde spanning dit laat daal.
Kies van Induktors vir Buck-Tipe Skakelingsvoerstromeenhede
By die kies van 'n induktor vir 'n buck-tipe skakelingsvoerstroomeenheid, is dit nodig om die maksimum invoervoltige, uitsetvoltige, magskakelfrequentie, maksimum rippelstroom en plichtfaktor te bepaal. Die volgende beskryf die berekening van die induktansiewaarde vir 'n buck-tipe skakelingsvoerstroomeenheid. Eers, neem aan dat die skakelfrequentie 300 kHz is, die invoervoltigerange 12 V ± 10% is, die uitsetstroom 1 A is, en die maksimum rippelstroom 300 mA is.
Die Skakelingdiagram van 'n Buck-Tipe Skakelingsvoerstroomeenheid
Die maksimum invoer spanning is 13.2V, en die ooreenstemmende verpligtingsverhouding is: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), waar Vo die uitvoer spanning is en Vi die invoer spanning is. Wanneer die skakeltransistor aan is, is die spanning oor die spoel: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Wanneer die skakeltransistor af is, is die spanning oor die spoel: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6).Vervanging van vergelykings (2), (3), en (6) in vergelyking (2):
Kies van spoels vir verhogende skakelspanvoeroevers
Die berekening van die induktansiewaarde vir 'n boost skakelingsvoerstroombron, behalwe dat die verhoudingsformule tussen die plichtfaktor en die spoelspanning verander is, is al die ander prosesse dieselfde as die berekeningsmetode van 'n buck skakelingsvoerstroombron. Veronderstel die skakelfrequentie is 300 kHz, die invoerspanningsreeks is 5 V ± 10%, die uitstroomstroom is 500 mA, en die doeltreffendheid is 80%, die maksimum rimpelstroom is 450 mA, en die ooreenstemmende plichtfaktor is: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Die skematiek van 'n boost skakelingsvoerstroombron
Wanneer die skakelaar aan is, is die spanning oor die spoel: V = Vi = 5.5 V (8), Wanneer die skakelaar af is, is die spanning oor die spoel: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Deur formules 6/7/8 in formule 2 te vervang, kry ons:
Let asseblief op dat, anders as buck-omvormers, boost-omvormers nie voortdurend laai-stroom van die induktor verskaf nie. Wanneer die skakeltransistor voer, vloei die induktor-stroom deur die skakelaar na grond, terwyl die laai-stroom deur die uitsetkapasitor verskaf word. Dus, moet die uitsetkapasitor genoegsame energie stoor om die laai tydens hierdie tydperk te voorsien. Maar wanneer die skakelaar af is, verskaf die induktor-stroom nie net die laai nie, maar laai ook die uitsetkapasitor.
Algemeen gesproke, verhoog die waarde van die induktiwiteit verminder die uitsetrippeling, maar versleg die dinamiese respons van die voeding. Dus, moet die optimale induktiwiteit gekies word gebaseer op spesifieke toepassingsvereistes. Hoër skakelfrequenties maak kleinere induktiwiteitswaardes moontlik, wat die grootte van die induktor verminder en PCB-ruimte bespaar. Gevolglik, tendeer moderne skakelvoedings na hoër frekwensies om aan die vraag vir kleiner elektroniese produkte te voldoen.
Analise en Toepassing van Skakelkrigelwerwe
Oor Lenz se Wet: In 'n DC-gekoppelde kring, as gevolg van die self-induktansie van die spoel, word 'n elektromotiewe krag (EMK) opgewek wat teen die toename in stroom optree. Dus, by die oomblik van aanskakeling, is die kringstroom effektief nul, en die hele spanning val oor die spoel af. Die stroom vermeerder dan geleidelik terwyl die spoelspanning afneem tot nul, wat die einde van die oorgangstoestand aandui. In skakelomvormerbedryf moet die induktor nie satering bereik nie om doeltreffende energieopslag en -oormag te verseker nie. 'n Gesatureerde induktor gedra hom soos 'n direkte DC-pad, en verloor sy vermoë om energie op te slaan, wat die funksionaliteit van die omvormer ondermyn. Wanneer die skakelfrequentie vasgestel is, moet die induktansiewaarde voldoende groot wees om satering onder piekstrome te voorkom.
Bepaling van Induktansie in Skakelkrigelige: By lagere skakelfrequenties, aangesien die aan/af-duur langer is, word 'n groter induktansiewaarde benodig om kontinue uitset te handhaaf. Dit laat die indukter meer magneetveld-energie opsluit. Verder lei langer skakelperiodes tot minder frekwente energie-aanvulling, wat relatief klein stroomwisseling veroorsaak. Hierdie beginsel kan deur die formule verduidelik word: L = (dt/di) * uL waar D = Vo/Vi (plichtsiklus), dt = D/F (aan-tyd), F = skakelfrequentie, en di = stroomwisseling. Vir buck-konvertere, D = 1 - Vi/Vo; vir boost-konvertere, D = Vo/Vi. Deur om te rangskik, kry ons: L = D * uL / (F * di). Wanneer F afneem, moet L proporsioneel toeneem. Teenoorgesteld, deur L te verhoog terwyl ander parameters konstant bly, neem di (stroomwisseling) af. By hoër frequenties, verhoog die induktansie impedansie, wat lei tot verhoogde krwyerverliese en verminderde effektiwiteit. Algemeen gesproke, met vaste frequentie, vermindering van uitsetwisseling deur groter L, bely digtere dinamiese respons (traagheid in aanpassing aan belveranderinge). Daarom moet die optimale induktansie gekies word gebaseer op toepassingsvereistes om wisseling-vermindering en transiënt-prestasie te balanseer.