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Eine Spule ist ein häufig verwendetes Energie-speicherndes passives Bauelement in Schaltungen und übernimmt Funktionen wie Filterung, Spannungserhöhung und -senkung bei der Gestaltung von Schaltnetzteilen. Im frühen Entwurfsstadium müssen Ingenieure nicht nur geeignete Induktivitätswerte auswählen, sondern auch den durch die Spule fließenden Strom, den DCR der Spule, die mechanischen Abmessungen, Verluste usw. berücksichtigen. Wenn sie die Funktionen von Spulen nicht gut genug kennen, werden sie oft im Design passiv sein und viel Zeit verbrauchen.
Verständnis der Funktionen von Spulen
Eine Spule ist das „L“ im LC-Filterkreis am Ausgang eines Schaltnetzteils. Bei einer Spannungsabwärtswandlung (Buck) ist eine Seite der Spule mit der Gleichstrom-Ausgangsspannung verbunden, während die andere Seite zwischen der Eingangsspannung und GND nach dem Schaltfrequenzrhythmus wechselt.
Im Zustand 1 ist die Spule über den MOSFET mit der Eingangsspannung verbunden. Im Zustand 2 ist die Spule mit GND verbunden.
Aufgrund der Verwendung dieses Typs von Regler gibt es zwei Möglichkeiten, den Spule zu erden: Erdung über eine Diode oder über einen MOSFET. Wenn die erste Methode angewendet wird, wird der Wandler als asynchron bezeichnet. Im letzteren Fall wird der Wandler als synchroner Modus bezeichnet.
Im Zustand 1 ist eines der Enden der Spule mit der Eingangsspannung verbunden, und das andere Ende ist mit der Ausgangsspannung verbunden. Bei einem Buck-Wandler muss die Eingangsspannung höher sein als die Ausgangsspannung, so dass ein Vorwärtspotential über der Spule entsteht.
Im Zustand 2 ist das Ende der Spule, das ursprünglich mit der Eingangsspannung verbunden war, mit dem Massengeflecht verbunden. Bei einem Buck-Wandler ist die Ausgangsspannung notwendigerweise das positive Terminal, so dass über der Spule eine negative Spannung entsteht.
Formel zur Berechnung der Spulenspannung
V=L(dI/dt). Da der Strom durch die Spule zunimmt, wenn die Spannung an der Spule positiv ist (Zustand 1) und abnimmt, wenn die Spannung negativ ist (Zustand 2), ist das Wellenformdiagramm des Spulenstroms in Abbildung 2 dargestellt:
Aus der obigen Abbildung können wir sehen, dass der maximale Strom durch die Spule dem Gleichstrom entspricht plus der Hälfte des Schaltspitzen-Spitzenstroms. Die obige Abbildung zeigt auch den Rippelstrom. Gemäß der oben genannten Formel kann der Spitzenstrom wie folgt berechnet werden: wobei ton die Zeit im Zustand 1 ist, T die Schaltpause und DC der Tastverhältniswert von Zustand 1.
Synchroner Umwandlungsschaltung
Asynchroner Umwandlungsschaltung
Rs: Der kombinierte Widerstand des Strommesswiderstands und des Wicklungs-Widerstands der Spule. Vf: Die Vorwärtsspannungsabfall am Schottky-Diode. R: Der Gesamtwiderstand im Leitungsweg, berechnet als R=Rs+Rm, wobei der Einschaltwiderstand des MOSFETs ist.
Sättigung des Induktorkerns
Aus dem berechneten Spitzengang des Induktors wissen wir, dass mit zunehmendem Strom durch den Induktor dessen Induktivität abnimmt. Dies wird durch die physikalischen Eigenschaften des Kernmaterials bestimmt. Das Maß der Induktivitätsabnahme ist kritisch: Wenn die Abnahme zu stark ist, wird der Umrichter nicht normal arbeiten. Der Strom, bei dem der Induktor aufgrund eines zu hohen Stromes versagt, wird als Sättigungsstrom bezeichnet, ein grundlegendes Parameter des Induktors.
Die Sättigungskurve von Leistungsspulen in Umrichterschaltungen ist entscheidend und verdient Aufmerksamkeit. Um dieses Konzept zu verstehen, können Sie die tatsächlich gemessene Kurve von L im Verhältnis zum Gleichstrom beobachten.
Wenn der Strom einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, nimmt die Induktivität scharf ab – ein Phänomen, das als Sättigung bekannt ist. Weitere Stromzunahmen können dazu führen, dass der Induktor vollständig versagt.
Mit dieser Sättigungscharakteristik können wir verstehen, warum alle Konverter den Variationsspielraum des Spulenwerts (△L ≤ 20 % oder 30 %) unter dem Gleichstrom-Ausgangsstrom angeben und warum die Spulenspezifikation den Parameter Isat enthält. Da die Änderung des Rippelstroms die Induktivität nicht erheblich beeinflusst, ist es in allen Anwendungen wünschenswert, den Rippelstrom so weit wie möglich zu minimieren, da er sich auf den Rippel der Ausgangsspannung auswirkt. Deshalb gibt es immer große Bedenken bezüglich des Grades der Induktivitätsabnahme unter Gleichstrom-Ausgangsstrom, während die Induktivität unter Rippelstrom oft in den Spezifikationen übersehen wird.
Auswahl geeigneter Spulen für Schaltspannungsversorgungen
Spulen sind häufig verwendete Bauelemente in Schaltnetzteilen. Aufgrund der Phasenverschiebung zwischen ihrem Strom und Spannung beträgt der Verlust theoretisch null. Spulen dienen oft als Energiespeicher, mit der Eigenschaft "dem Eintreffenden entgegenwirken und das Hinausgehende halten", und werden häufig gemeinsam mit Kondensatoren in Eingangs- und Ausgangsfilterkreisen eingesetzt, um den Strom zu glätten.
Als magnetische Komponenten stehen Spulen dem Problem der magnetischen Sättigung gegenüber. Einige Anwendungen erlauben die Sättigung von Spulen, andere gestatten Sättigung ab einem bestimmten Stromwert, während wieder andere sie streng untersagen und eine Differenzierung in spezifischen Schaltungen erfordern. In den meisten Fällen arbeiten Spulen im "linearen Bereich", in dem der Induktivitätswert konstant bleibt und sich nicht mit der Spannung oder dem Strom an den Terminals ändert. Schaltregelnetze haben jedoch ein nicht zu vernachlässigendes Problem: Die Wicklungen der Spulen führen zu zwei verteilten (oder parasitären) Parametern. Einer ist der unvermeidliche Wicklungswiderstand, der andere das verteilte Stray-Kapazität, das mit dem Wicklungsprozess und den Materialien zusammenhängt. Stray-Kapazität hat bei niedrigen Frequenzen nur einen geringen Einfluss, ihr Effekt wird jedoch mit steigender Frequenz immer deutlicher. Wenn die Frequenz einen bestimmten Wert überschreitet, kann die Spule kapazitäre Eigenschaften aufweisen. Falls die Stray-Kapazität als einzelner Kapazitor vereinfacht wird, zeigt der äquivalente Schaltkreis der Spule ihr kapazitäreres Verhalten über einer bestimmten Frequenz.
Beim Analysieren des Betriebszustands eines Spulens in einem Schaltkreis müssen die folgenden Charakteristiken berücksichtigt werden:
1. Fließt ein Strom I durch eine Spule L, so beträgt die in der Spule gespeicherte Energie: E=0,5 × L× I²(1)
2. In einem Schaltzyklus besteht zwischen der Änderung des Spulenstroms (Spitzenwert der Rippelspannung) und der Spannung über der Spule folgender Zusammenhang:
V=(L × di)/dt(2), Dies zeigt, dass die Größe der Rippelstromänderung mit dem Induktivitätswert zusammenhängt.
3. Spulen erleben auch Lade- und Entladevorgänge. Der Strom durch eine Spule ist proportional zum Integral der Spannung (Volt-Sekunden) darüber. Solange sich die Spulespannung ändert, wird sich auch die Änderungsrate des Stroms di/dt ändern: Eine VorwärtsSpannung verursacht eine lineare Steigerung des Stroms, während eine RückwärtsSpannung dazu führt, dass er linear abnimmt.
Auswahl von Spulen für Spannungsabnehmer-Schaltstromversorgungen
Beim Auswählen einer Spule für eine Spannungsabnehmer-Schaltstromversorgung ist es notwendig, die maximale Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, die Schaltfrequenz, das maximale Rippelstrom und den Tastverhältnis zu bestimmen. Im Folgenden wird der Berechnung des Induktivitätswerts für eine Spannungsabnehmer-Schaltstromversorgung beschrieben. Zuerst nehmen wir an, dass die Schaltfrequenz 300 kHz beträgt, der Eingangsspannungsbereich 12 V ± 10 % ist, der Ausgangsstrom 1 A beträgt und der maximale Rippelstrom 300 mA ist.
Schaltplan der Spannungsabnehmer-Schaltstromversorgung
Die maximale Eingangsspannung beträgt 13,2 V, und der entsprechende Tastverhältnis ist: D = Vo/Vi = 5/13,2 = 0,379 (3), wobei Vo die Ausgangsspannung und Vi die Eingangsspannung ist. Wenn der Schalttransistor eingeschaltet ist, beträgt die Spannung am Spule: V = Vi - Vo = 8,2 V (4). Wenn der Schalttransistor ausgeschaltet ist, beträgt die Spannung am Spule: V = -Vo - Vd = -5,3 V (5). dt = D/F (6). Einsetzen der Gleichungen (2), (3) und (6) in Gleichung (2):
Auswahl von Spulen für Boost-Schaltspannungsversorgungen
Die Berechnung des Induktivitätswerts für einen Boost-Schaltspannungsregler erfolgt, außer dass die Beziehung zwischen dem Tastverhältnis und der Spulenspannung geändert wird, sind alle anderen Schritte identisch mit der Berechnungsmethode eines Buck-Schaltspannungsreglers. Angenommen, die Schaltfrequenz beträgt 300 kHz, das Eingangsspannungsbereich liegt bei 5 V ± 10%, der Ausgangsstrom beträgt 500 mA und die Effizienz 80%, der maximale Rippelstrom beträgt 450 mA und das entsprechende Tastverhältnis ist: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Der Schaltplan eines Boost-Schaltspannungsreglers
Wenn der Schalter eingeschaltet ist, beträgt die Spannung an der Spule: V = Vi = 5,5 V (8), Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, beträgt die Spannung an der Spule: V = Vo + Vd - Vi = 6,8 V (9), Einsetzen der Formeln 6/7/8 in Formel 2 ergibt:
Beachten Sie, dass sich Boost-Converter im Gegensatz zu Buck-Convertern nicht kontinuierlich aus dem Spulestrom in den Laststrom versorgen. Während der Schalttransistor leitend ist, fließt der Spulenstrom über den Schalter auf Masse, während der Laststrom vom Ausgangskondensator bereitgestellt wird. Daher muss der Ausgangskondensator genügend Energie speichern, um die Last während dieser Zeit zu versorgen. Wenn jedoch der Schalter ausgeschaltet ist, versorgt der Spulenstrom nicht nur die Last, sondern lädt auch den Ausgangskondensator auf.
Im Allgemeinen verringert eine Erhöhung des Spulenwerts die Ausgangsripple, verschlechtert aber die dynamische Antwort des Netzteils. Daher sollte der optimale Spulenwert je nach Anwendungsanforderungen ausgewählt werden. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Spulenwerte, was die Spulengröße reduziert und Platz auf der Leiterplatte spart. Somit tendieren moderne Schaltnetzteile zu höheren Frequenzen, um den Bedarf an kleineren elektronischen Produkten zu decken.
Analyse und Anwendung von Schaltnetzteilen
Zu Lenz'schem Gesetz: In einem mit Gleichstrom betriebenen Kreis wird aufgrund der Selbstinduktion der Spule eine elektromotorische Kraft (EMK) induziert, die dem Anstieg des Stromes entgegenwirkt. Daher beträgt der Kreisstrom beim Einschalten effektiv Null, und die gesamte Spannungsabfall erfolgt an der Spule. Der Strom nimmt dann allmählich zu, während die Spulenspannung auf Null abnimmt, was das Ende des Übergangszustands markiert. Bei der Betriebsweise von Schaltkonvertierern darf die Spule nicht in Sättigung gehen, um einen effizienten Energie-speicher- und -übertragungsprozess sicherzustellen. Eine gesättigte Spule verhält sich wie ein direkter Gleichstrompfad und verliert ihre Fähigkeit, Energie zu speichern, was die Funktionsfähigkeit des Konverters beeinträchtigt. Wenn die Schaltfrequenz fixiert ist, muss der Induktivitätswert ausreichend hoch sein, um unter Spitzenströmen eine Sättigung zu verhindern.
Bestimmung der Induktivität in Schaltnetzteilen: Bei niedrigen Schaltfrequenzen, da die Einschaltausdauern länger sind, wird eine größere Induktivität benötigt, um einen kontinuierlichen Ausgang aufrechtzuerhalten. Dies ermöglicht es dem Spule, mehr magnetische Feldenergie zu speichern. Zudem führen längere Schaltzeiträume zu weniger häufigem Energieauffrischung, was zu relativ kleineren Stromrippeln führt. Dieses Prinzip kann durch die Formel erklärt werden: L = (dt/di) * uL, wobei D = Vo/Vi (Tastverhältnis), dt = D/F (Einschaltzeit), F = Schaltfrequenz und di = Stromripple. Für Step-Down-Wandler (Buck) ist D = 1 - Vi/Vo; für Step-Up-Wandler (Boost) ist D = Vo/Vi. Umstellen ergibt: L = D * uL / (F * di). Wenn F abnimmt, muss L proportional zunehmen. Umgekehrt verringert eine Erhöhung von L bei konstanten anderen Parametern di (Stromripple). Bei höheren Frequenzen führt eine Erhöhung der Induktivität zu einer erhöhten Impedanz, was zu vermehrten Leistungsverlusten und reduzierter Effizienz führt. Im Allgemeinen reduziert eine größere L bei fester Frequenz den Ausgangsripple, verschlechtert aber die dynamische Antwort (langsamerer Anpassung an Laständerungen). Daher sollte die optimale Induktivität je nach Anwendungsanforderungen ausgewählt werden, um Ripple-Reduktion und Transientenleistung auszugleichen.