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Un induttore è un componente passivo comune per il salvataggio di energia nei circuiti, svolgendo ruoli come filtraggio, boosting e bucking nella progettazione di alimentatori a commutazione. Nella fase iniziale di progettazione, gli ingegneri devono non solo selezionare valori di induttanza appropriati, ma anche considerare la corrente che l'induttore può sopportare, il DCR della bobina, le dimensioni meccaniche, le perdite, e così via. Se non sono sufficientemente familiari con le funzioni degli induttori, spesso saranno passivi nella progettazione e consumeranno molto tempo.
Comprensione delle Funzioni degli Induttori
Un induttore è la "L" nel circuito filtro LC all'uscita di un alimentatore a commutazione. Nella conversione buck, un'estremità dell'induttore è connessa al voltaggio di uscita DC, mentre l'altra estremità commuta tra il voltaggio di ingresso e GND in base alla frequenza di commutazione.
Nello stato 1, l'induttore è connesso al voltaggio di ingresso tramite il MOSFET. Nello stato 2, l'induttore è connesso a GND.
A causa dell'uso di questo tipo di controllore, ci sono due modi per connettere a massa l'induttore: attraverso un diodo o attraverso un MOSFET. Se viene adottato il primo metodo, il convertitore è chiamato modalità asincrona. Nel secondo caso, il convertitore è definito modalità sincrona.
Nello stato 1, un'estremità dell'induttore è connessa alla tensione di ingresso e l'altra estremità è connessa alla tensione di uscita. Per un convertitore buck, la tensione di ingresso deve essere superiore alla tensione di uscita, quindi si forma una caduta di tensione diretta sull'induttore.
Nello stato 2, l'estremità dell'induttore precedentemente connessa alla tensione di ingresso è connessa a massa. Per un convertitore buck, la tensione di uscita è necessariamente il terminale positivo, quindi si forma una caduta di tensione negativa sull'induttore.
Formula di calcolo della tensione dell'induttore
V=L(dI/dt). Poiché la corrente attraverso l'induttore aumenta quando la tensione dell'induttore è positiva (Stato 1) e diminuisce quando la tensione è negativa (Stato 2), il grafico della corrente dell'induttore è mostrato in Figura 2:
Dalla figura sopra, possiamo vedere che la corrente massima attraverso l'induttore è la corrente continua più metà della corrente picco-picco di commutazione. La figura sopra mostra anche la corrente d'increspatura. Secondo la formula menzionata sopra, la corrente di picco può essere calcolata come segue: dove ton è il tempo nello Stato 1, T è il periodo di commutazione e DC è il ciclo di lavoro dello Stato 1.
Circuito di Conversione Sincrono
Circuito di Conversione Asincrono
Rs: La resistenza combinata del resistore di rilevamento corrente e della resistenza del nucleo dell'induttore. Vf: La caduta di tensione in avanti del diodo Schottky. R: La resistenza totale nel percorso di conduzione, calcolata come R=Rs+Rm, dove è la resistenza di accensione del MOSFET.
Saturazione del nucleo dell'induttore
Dal corrente di picco dell'induttore calcolata, sappiamo che man mano che la corrente attraverso l'induttore aumenta, la sua induttanza diminuirà. Questo è determinato dalle proprietà fisiche del materiale del nucleo. Il grado di riduzione dell'induttanza è critico: se la riduzione è troppo accentuata, il convertitore non funzionerà correttamente. La corrente a cui l'induttore fallisce a causa di una corrente eccessiva è detta corrente di saturazione, un parametro fondamentale dell'induttore.
La curva di saturazione degli induttori di potenza nei circuiti di conversione è cruciale e merita attenzione. Per comprendere questo concetto, puoi osservare la curva effettivamente misurata di L rispetto alla corrente continua.
Quando la corrente aumenta oltre una certa soglia, l'induttanza diminuisce bruscamente - un fenomeno noto come saturazione. Ulteriori aumenti di corrente possono causare il completo guasto dell'induttore.
Con questa caratteristica di saturazione, possiamo capire perché tutti i convertitori specificano l'intervallo di variazione del valore dell'induttanza (△L ≤ 20% o 30%) sotto il corrente continua di uscita, e perché la specifica dell'induttore include il parametro Isat. Poiché il cambiamento nel corrente alternata non influisce significativamente sull'induttanza, è desiderabile in tutte le applicazioni minimizzare il più possibile la corrente alternata, poiché essa influenza l'ondulazione della tensione di uscita. Questo spiega perché c'è sempre una grande preoccupazione riguardo al grado di attenuazione dell'induttanza sotto il corrente continua di uscita, mentre l'induttanza sotto corrente alternata viene spesso trascurata nelle specifiche.
Selezione di Induttori Appropriati per Alimentatori a Commutazione
Gli induttori sono componenti comunemente utilizzati nelle alimentazioni a commutazione. A causa della differenza di fase tra la corrente e la tensione, teoricamente, le perdite sono nulle. Gli induttori spesso fungono da elementi di accumulo energetico, caratterizzati dalla proprietà di "opporre l'entrante e mantenere l'uscita," e vengono frequentemente utilizzati insieme ai condensatori nei circuiti di filtro di ingresso e uscita per smorzare la corrente.
Come componenti magnetici, gli induttori affrontano intrinsecamente il problema della saturazione magnetica. Alcune applicazioni consentono la saturazione dell'induttore, altre permettono la saturazione a partire da un determinato valore di corrente, mentre altre ancora la vietano in modo assoluto, richiedendo una differenziazione nei circuiti specifici. In gran parte dei casi, gli induttori operano nella "regione lineare", dove il valore di induttanza rimane costante e non cambia con la tensione o la corrente ai terminali. Tuttavia, le fonti di alimentazione a commutazione presentano un problema non trascurabile: i fili degli induttori introducono due parametri distribuiti (o parassiti). Uno è la resistenza di avvolgimento inevitabile, e l'altro è la capacità parasitaria distribuita legata al processo di avvolgimento e ai materiali utilizzati. La capacità parasitaria ha un impatto minimo a basse frequenze, ma il suo effetto diventa sempre più evidente man mano che la frequenza aumenta. Quando la frequenza supera un certo valore, l'induttore può manifestare caratteristiche capacitive. Se la capacità parasitaria viene "raggruppata" come un unico condensatore, il circuito equivalente dell'induttore rivela il suo comportamento capacitivo oltre una determinata frequenza.
Quando si analizza lo stato operativo di un induttore in un circuito, le seguenti caratteristiche devono essere prese in considerazione:
1. Quando un corrente I scorre attraverso un induttore L, l'energia immagazzinata nell'induttore è: E=0.5 × L× I2(1)
2. In un ciclo di commutazione, il rapporto tra la variazione del corrente dell'induttore (valore a picco a picco della corrente di increspatura) e la tensione sull'induttore è:
V=(L × di)/dt(2), Ciò dimostra che l'ampiezza della corrente di increspatura è correlata al valore dell'induttanza.
3. Gli induttori subiscono anche processi di carica e scarica. La corrente attraverso un induttore è proporzionale all'integrale della tensione (volt-secondi) su di esso. Finché cambia la tensione sull'induttore, cambierà anche il tasso di variazione della corrente di/dt: una tensione in avanti fa aumentare linearmente la corrente, mentre una tensione inversa la fa diminuire linearmente.
Selezione di Induttori per Alimentatori a Commutazione di Tipo Buck
Nella selezione di un induttore per un alimentatore a commutazione di tipo buck, è necessario determinare la tensione di ingresso massima, la tensione di uscita, la frequenza di commutazione del potere, la corrente di increspatura massima e il ciclo di lavoro. Di seguito viene descritto il calcolo del valore dell'induttanza per un alimentatore a commutazione di tipo buck. Prima, si presuppone che la frequenza di commutazione sia di 300 kHz, l'intervallo di tensione di ingresso sia di 12 V ± 10%, la corrente di uscita sia di 1 A e la corrente di increspatura massima sia di 300 mA.
Diagramma del Circuito dell'Alimentatore a Commutazione di Tipo Buck
La tensione di ingresso massima è 13,2V e il corrispondente ciclo di lavoro è: D = Vo/Vi = 5/13,2 = 0,379(3), dove Vo è la tensione di uscita e Vi è la tensione di ingresso. Quando il transistor di commutazione è acceso, la tensione sul bobina è: V = Vi - Vo = 8,2 V(4). Quando il transistor di commutazione è spento, la tensione sul bobina è: V = -Vo - Vd = -5,3V(5). dt = D/F(6). Sostituendo le equazioni (2), (3) e (6) nell'equazione (2):
Selezione dei bobinini per alimentatori a commutazione di tipo boost
Il calcolo del valore dell'induttanza per un alimentatore a commutazione boost, ad eccezione del fatto che la formula di relazione tra il duty cycle e la tensione dell'induttore è cambiata, gli altri processi sono gli stessi del metodo di calcolo di un alimentatore a commutazione buck. Supponendo che la frequenza di commutazione sia di 300 kHz, l'intervallo di tensione di ingresso sia di 5 V ± 10%, la corrente di uscita sia di 500 mA, e l'efficienza sia del 80%, la corrente di increspatura massima è di 450 mA, e il duty cycle corrispondente è: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Lo schema elettrico di un alimentatore a commutazione boost
Quando l'interruttore è acceso, la tensione all'estremità dell'induttore è: V = Vi = 5,5 V (8), Quando l'interruttore è spento, la tensione all'estremità dell'induttore è: V = Vo + Vd - Vi = 6,8 V (9), Sostituendo le formule 6/7/8 nella formula 2 si ottiene:
Si noti che, a differenza dei convertitori buck, i convertitori boost non forniscono corrente al carico in modo continuo dall'induttore. Quando il transistor di commutazione è in conduzione, la corrente dell'induttore scorre attraverso l'interruttore verso la massa, mentre la corrente del carico è fornita dal condensatore di output. Pertanto, il condensatore di output deve immagazzinare energia sufficiente per alimentare il carico durante questo periodo. Tuttavia, quando l'interruttore è spento, la corrente dell'induttore alimenta non solo il carico ma anche carica il condensatore di output.
In generale, aumentare il valore dell'induttanza riduce l'ondulazione di output ma degrada la risposta dinamica della fonte di alimentazione. Quindi, l'induttanza ottimale deve essere selezionata in base alle esigenze specifiche dell'applicazione. Frequenze di commutazione più elevate consentono valori di induttanza più piccoli, riducendo le dimensioni dell'induttore e risparmiando spazio sul PCB. Di conseguenza, le moderne fonti di alimentazione a commutazione tendono verso frequenze più alte per soddisfare la richiesta di prodotti elettronici più piccoli.
Analisi e Applicazione dei Alimentatori a Commutazione
Riguardo alla Legge di Lenz: In un circuito alimentato a corrente continua, a causa dell'autocostrizione della bobina, si genera una forza elettromotrice (EMF) che oppone l'aumento della corrente. Quindi, al momento dell'accensione, la corrente nel circuito è effettivamente nulla, e tutto il calo di tensione avviene sulla bobina. La corrente aumenta gradualmente mentre la tensione della bobina diminuisce fino a zero, segnando la fine dello stato transitorio. Nell'operazione del convertitore a commutazione, l'induttore non deve entrare in saturazione per garantire un'efficiente memorizzazione e trasferimento di energia. Un induttore saturato si comporta come un percorso diretto a corrente continua, perdendo la sua capacità di memorizzare energia, il che compromette la funzionalità del convertitore. Quando la frequenza di commutazione è fissa, il valore dell'induttanza deve essere sufficientemente grande per impedire la saturazione sotto correnti di picco.
Determinazione dell'Induttanza in Alimentatori a Commutazione: A frequenze di commutazione più basse, poiché le durate di accensione/spengimento sono più lunghe, è necessario un valore di induttanza maggiore per mantenere l'uscita continua. Ciò consente all'induttore di immagazzinare una quantità maggiore di energia del campo magnetico. Inoltre, i periodi di commutazione più lunghi risultano in un rifornimento di energia meno frequente, causando un'ondulazione di corrente relativamente minore. Questo principio può essere spiegato dalla formula: L = (dt/di) * uL dove D = Vo/Vi (ciclo operativo), dt = D/F (tempo di accensione), F = frequenza di commutazione, e di = ondulazione di corrente. Per i convertitori buck, D = 1 - Vi/Vo; per i convertitori boost, D = Vo/Vi. Ricostruendo si ottiene: L = D * uL / (F * di). Quando F diminuisce, L deve aumentare proporzionalmente. Viceversa, aumentando L mentre gli altri parametri rimangono costanti si riduce di (ondulazione di corrente). A frequenze più alte, l'aumento dell'induttanza aumenta l'impedenza, portando a perdite di potenza maggiori e ad una riduzione dell'efficienza. Generalmente, con frequenza fissa, un L maggiore riduce l'ondulazione di uscita ma degrada la risposta dinamica (adattamento più lento alle variazioni di carico). Pertanto, l'induttanza ottimale dovrebbe essere selezionata in base ai requisiti dell'applicazione per bilanciare la riduzione dell'ondulazione e le prestazioni transitorie.