EN
Az indukтор egy közös energiatároló passzív komponens a körökben, szerepeket játszik, mint például szűrőként, növelőként és csökkentőként a váltóáramú tápegységek tervezésében. A tervek korai szakaszában az mérnököknek nemcsak megfelelő indukciós értékeket kell kiválasztaniuk, hanem figyelembe kell venniük az indukтор által elviselhető áramerősséget, a köteg DCR-jét, a mechanikai méreteket, a veszteségeket stb. Ha nem ismerik elég jól az indukтор funkcióit, gyakran passzívak lesznek a tervezés során, és rengeteg időt vesznek fel.
Az indukтор funkcióinak ismertetése
Az indukтор az „L” a váltóáramú tápegység kimeneti LC szűrőkörében. A buck konverzióban az indukтор egyik vége kapcsolódik a DC kimeneti feszültségre, míg a másik vége a kapcsolási frekvenciától függően kapcsolódik az inputfeszültségre vagy a GND-hoz.
Az 1. állapotban az indukтор az MOSFET-en keresztül kapcsolódik az inputfeszültségre. Az 2. állapotban az indukтор kapcsolódik a GND-hoz.
Ezen típusú vezérlő használatával kétféle módon lehet a transzformátort födésbe kapcsolni: dióda által történő födés vagy MOSFET által történő födés. Ha az első módszert alkalmazzuk, a konverter aszinkron módban működik. A második esetben a konverter szinkron módban van.
Az első állapotban az egyik transzformátorvég csatlakozik a bemeneti feszültségre, míg a másik vég a kimeneti feszültséggel kapcsolódik. Egy step-down konverternél a bemeneti feszültség magasabb kell legyen a kimeneti feszültségnél, így a transzformátoron átmenetek közben előáll egy irányított feszültségi esés.
A második állapotban a bemeneti feszültséggel korábban kapcsolt transzformátorvég most a földre kapcsolódik. Egy step-down konverternél a kimeneti feszültség mindig a pozitív terminál, így negatív feszültségi esés alakul ki a transzformátoron.
Transzformátorfeszültség-számítási képlet
V=L(dI/dt). Mivel az indukтор keresztüli áram növekszik, amikor az indukтор feszültsége pozitív (Állapot 1), és csökken, amikor a feszültség negatív (Állapot 2), az indukтор áramjellemzője látható a 2. ábrán:
A fenti ábráról látható, hogy az indukтор keresztüli maximális áram az DC áram plusz a kapcsolási csúcs-értek fele. A fenti ábra azt is mutatja, hogy mi a rippeláram. A fent említett képlet szerint a csúcsáram így számítható: ahol ton az Állapot 1 időtartama, T a kapcsolási periódus, és DC az Állapot 1 működési aránya.
Szinkron átalakítási áramkör
Nem szinkron átalakítási áramkör
Rs: A jelesáram-ellenállás és az indukтор szelesély ellenállás összegéből számított ellenállás. Vf: A Schottky-dioda előrében lévő feszültségcsökkenés. R: Az irányítási útvonal teljes ellenállása, amelyet R=Rs+Rm-ként számítanak, ahol a MOSFET bekapcsolt állapotbeli ellenállás.
Induktor magjának telítettsége
Az számított induktor csúcsáramból látható, hogy ahogy az áram növekszik az indukторban, az indukciója csökken. Ez a maganyanyag fizikai tulajdonságaitól függ. Az indukció csökkenésének mértéke döntő: ha túl súlyos lenne a csökkenés, a konverter nem működne normálisan. Az induktor meghiúsulását okozó túl nagy áramot telítettségi áramnak nevezzük, ami egy alapvető paraméter az induktoroknál.
A hatékonysági görbe a teljesítmény-induktoroknál a konverter-körökben fontos és figyelemre méltó. Ennek a fogalomnak megértéséhez megfigyelheted az L és a DC áram közötti valós mérési görbét.
Amikor az áram egy bizonyos küszöbértéket haladja meg, az indukció élesen csökken – ezt a jelenséget telítettségnek hívjuk. További áramemelkedés teljes kizárólagos hiúsulást okozhat az induktorban.
Ezzel a telítettségi jellemzettel megértjük, miért adnak meg minden konverter az indukciós érték változási tartományt (△L ≤ 20%-al vagy 30%-al) a DC kimeneti áram alatt, és miért szerepel az induktor specifikációjában az Isat paraméter. Mivel a zivataráram változása nem hat jelentősen az indukcióra, minden alkalmazásban lehető legjobb minőségben kell minimalizálni a zivataráramot, mivel ez befolyásolja a kimeneti feszültség zivatarát. Ezért mindig nagy aggodalom van az indukció csökkenésének fokáról a DC kimeneti áram alatt, míg a speccsek gyakran figyelmen kívül hagyják az indukciót a zivataráram alatt.
Megfelelő induktorok kiválasztása váltóáramú tápegységekhez
A transzformátorok gyakran használt komponensek váltóáramú tápegységekben. Az áram és feszültség fáziskülönbsége miatt elméletileg a veszteség nulla. A transzformátorok gyakran energiatároló elemekként szolgálnak, és a "bejövő ellenállása és kijövő megőrzése" jellemzőik, és gyakran használják kapacitásos elemekkel együtt az bemeneti és kimeneti szűrőkörökben a áram simításához.
A magnétos komponensek, mint a transzformátorok, természetesen szembesülnek a magnétos áteresedés problémájával. Néhány alkalmazás engedélyezi a transzformátor áteresedését, mások egy bizonyos áramerősségtől kezdve tűrhetik az áteresést, míg vannak olyan esetek is, amelyekben ezt szigorúan tilos, így különböző körökben kell megkülönböztetni. A legtöbb esetben a transzformátorkerítések a „lineáris tartományban” működnek, ahol a kerítés értéke állandó, és nem változik a terminális feszültség vagy áram függvényében. Azonban a kapcsoló áramforrásoknál nem elhanyagolható a probléma, hogy a transzformátor kerítései két elosztott (vagy parazit) paramétert vezetnek be. Az egyik a kerítés ellenállása, ami nem hagyható figyelmen kívül, a másik pedig a kerítés folyamata és anyagaival összefüggő elosztott strays kapacitás. Az elszaporodott kapacitás minimális hatással bír alacsony frekvenciákon, de hatása egyre nyilvánvalóbbá válik a növekvő frekvencia mellett. Ha a frekvencia meghaladja egy adott értéket, a transzformátor kapacitív jellegű viselkedést mutathat. Ha az elszaporodott kapacitást egyetlen kapacitásként „csoportosítjuk”, a transzformátor ekvivalens köréből látható lesz a kapacitív viselkedése egy adott frekvenciától kezdve.
Amikor egy körben lévő indukтор működési állapotát elemezzük, a következő jellemzőket kell figyelembe venni:
1. Amikor az I áram folyik egy L induktivitású indukторon keresztül, az indukторban tárolt energia: E=0.5 × L× I2(1)
2. Egy kapcsolási ciklusban az indukтор áramerősségének változása (a csúcs-érték közötti ingaáram) és az indukторra eső feszültség közötti összefüggés:
V=(L × di)/dt(2), Ez azt mutatja, hogy az ingaáram nagysága függ az induktivitás értékétől.
3. Az indukторok töltődési és feltöltődési folyamatokat is átgondulnak. Az indukтор áramerőssége arányos a rá eső feszültség integráljával (volt-másodperc). Addig, amíg az indukторra ható feszültség megváltozik, az áramváltozási sebesség di/dt is megváltozik: egy előre irányított feszültség lineárisan növeli az áramot, míg egy fordított feszültség lineárisan csökkenti azt.
Induktorok kiválasztása buck típusú váltóáramú tápegységekhez
Egy buck típusú váltóáramú tápegység induktorának kiválasztásakor szükséges meghatározni a maximális bemeneti feszültséget, az áramerőt, a teljesítmény-váltási gyakoriságot, a maximális rándulási áramerőt és a működési arányt. A következőkben részletezzük a buck típusú váltóáramú tápegység indukciós értékének kiszámítását. Először feltételezzük, hogy a váltási frekvencia 300 kHz, a bemeneti feszültség-tartomány 12 V ± 10%, az áramerő 1 A, és a maximális rándulási áramerő 300 mA.
A buck típusú váltóáramú tápegység ábrája
A maximális bemeneti feszültség 13.2V, és a megfelelő működési arány: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), ahol Vo az kimeneti feszültség, és Vi a bemeneti feszültség. Amikor a kapcsoló tranzisztor be van kapcsolva, az indukторon lévő feszültség: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Amikor a kapcsoló tranzisztor ki van kapcsolva, az indukторon lévő feszültség: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6). A (2), (3) és (6) egyenletek behelyettesítése az (2) egyenletbe:
Induktorok kiválasztása emelő típusú váltó áramforrásokhoz
Az indukciós érték kiszámítása növelő váltóáramú tápegységhez, azzal a kivétellel, hogy a kapcsolási arány és az indukтор feszültség közötti összefüggési képlet megváltozik, más folyamatok ugyanazok, mint a csökkentő váltóáramú tápegység számítási módszerében. Tegyük fel, hogy a kapcsolási gyakoriság 300 kHz, az bemeneti feszültség tartománya 5 V ± 10%, az kimeneti áramerő 500 mA, és a hatékonyság 80%, a maximális rándulási áramerő 450 mA, és a megfelelő kapcsolási arány:D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
A növelő váltóáramú tápegység áramkörrajza
Amikor a kapcsoló be van kapcsolva, az induktoron lévő feszültség: V = Vi = 5.5 V (8), Amikor a kapcsoló ki van kapcsolva, az indukторon lévő feszültség: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), A 6/7/8 képletek behelyettesítése a 2. képletbe adja:
Kérjük, vegye figyelembe, hogy a boost konverterek, ellentétben a buck konverterekkel, nem szállítják folyamatosan a terhelési áramot az induktorból. Amikor a kapcsoló tranzisztor vezet, az indukтор árama folyik a kapcsolón keresztül a földre, míg a terhelési áramat az kimeneti kondenzátor biztosítja. Ezért a kimeneti kondenzátor elég energiát kell tároljon ahhoz, hogy a terhelést ezen idő alatt ellássza. Azonban amikor a kapcsoló ki van kapcsolva, az induktor árama nemcsak ellátja a terhelést, de feltölti a kimeneti kondenzátort is.
Általánosságban vett, az indukciós érték növelése csökkenti a kimeneti zizzantást, de romlítja a tápegység dinamikus válaszát. Ezért a legjobb indukciót az alkalmazás konkrét igényei alapján kell kiválasztani. A magasabb kapcsolási frekvenciák lehetővé teszik a kisebb indukciós értékek használatát, ami csökkenti az induktor méretét és megtakarít helyet a PCB-n. Így a modern kapcsoló tápegységek magasabb frekvenciák felé tartanak, hogy feleljenek meg a kisebb elektronikai termékek igényeinek.
Váltóáramú tápegységek elemzése és alkalmazása
A Lenz-törvényről: Egy DC-erősítésű körben, a körhurok saját-indukciója miatt indukálódik egy villamosság (EMF), amely ellenáll a áramerősség növekedésének. Ezért a kapcsolás pillanatában a kör áramerőssége hatékonyan nullára csökken, és az egész feszültségesülés a körhurokon történik. Az áramerősség aztán lassan nő, miközben a körhurok feszültsége csökken nullára, ami a tranzienstállapot végét jelzi. A váltókonverter működésében a kötőelem nem léphet be telítésbe, hogy hatékony energiatárolást és -átvitelt biztosítson. A telített kötőelem olyan viselkedést mutat, mintha közvetlen DC útvonal lenne, elvesztve az energiatároló képességét, ami kompromittálná a konverter funkcióját. Amikor a váltógyakoriság rögzített, az indukancia értéke elég nagynak kell lennie, hogy megakadályozza a telítést a csúcsáramok alatt.
Indukancia meghatározása váltóáramú tápegységekben: A mélyebb váltótömegyiséken, mivel a be/vagy kiállás ideje hosszabb, nagyobb indukancia értékre van szükség a folytonos kimenet fenntartásához. Ez lehetővé teszi az indükanciának, hogy több magnesztikus mező-energiát tároljon. Emellett a hosszabb váltási időszakok kevesebb gyakoribb energiatovábbítást eredményeznek, ami viszont relativisan kisebb áramerészt okoz. Ezt a szabályt a következő képlettel lehet magyarázni: L = (dt/di) * uL, ahol D = Vo/Vi (működési arány), dt = D/F (beállás ideje), F = váltótömegyiség, és di = áramerész. A csökkentő konvertereknél D = 1 - Vi/Vo; a növelő konvertereknél D = Vo/Vi. Az átalakítás után kapjuk: L = D * uL / (F * di). Amikor F csökken, L arányosan növekednie kell. Fordítva, ha L-t növeljük, miközben a többi paraméter konstans marad, akkor di (áramerész) csökken. Magasabb frekvenciánál az indukancia növelése az impedanciát emeli, ami növeli a teljesítménnyalapot és csökkenti a hatékonyságot. Általánosságban, rögzített frekvenciánál, a nagyobb L csökkenti a kimeneti merészt, de rombolja a dinamikus választ (lassabb alkalmazkodás a terhelési változásokhoz). Ezért az optimális indukancia az alkalmazás igényei alapján kell kiválasztani annak érdekében, hogy egyensúlyt teremtsek a merészcsökkentés és a tranziensteljesítmény között.