EN
Sebuah induktor adalah komponen pasif biasa yang menyimpan tenaga dalam litar, memainkan peranan seperti penapisan, meningkatkan, dan mengurangkan dalam rekabentuk bekalan kuasa bertukar. Pada peringkat awal rekabentuk skema, jurutera tidak hanya perlu memilih nilai induktans yang sesuai, tetapi juga perlu mempertimbangkan arus yang boleh ditahan oleh induktor, DCR guli, dimensi mekanikal, kehilangan, dan sebagainya. Jika mereka tidak cukup familiar dengan fungsi induktor, mereka akan kerap menjadi pasif dalam rekabentuk dan membuang banyak masa.
Memahami Fungsi Induktor
Sebuah induktor adalah "L" dalam litar penapis LC pada output bekalan kuasa bertukar. Dalam penukaran buck, satu hujung induktor terhubung kepada voltan keluaran DC, sementara hujung lain bertukar antara voltan input dan GND mengikut frekuensi bertukar.
Dalam keadaan 1, induktor terhubung kepada voltan input melalui MOSFET. Dalam keadaan 2, induktor terhubung kepada GND.
Kerana penggunaan jenis pemain ini, terdapat dua cara untuk menyambungkan induktor ke tanah: penyambungan melalui diod atau melalui MOSFET. Jika kaedah pertama digunakan, penukar itu dipanggil mod tak-sinkron. Dalam kes yang terakhir, penukar itu dirujuk sebagai mod sinkron.
Dalam keadaan 1, satu hujung induktor disambungkan kepada voltan input, dan hujung yang lain disambungkan kepada voltan output. Bagi penukar buck, voltan input mesti lebih tinggi daripada voltan output, jadi jatuh voltan ke hadapan terbentuk di sepanjang induktor.
Dalam keadaan 2, hujung induktor yang asalnya disambungkan kepada voltan input disambungkan kepada tanah. Bagi penukar buck, voltan output adalah terminal positif, jadi jatuh voltan negatif terbentuk di sepanjang induktor.
Rumus Pengiraan Voltan Induktor
V=L(dI/dt). Karena arus melalui induktor bertambah apabila voltan induktor adalah positif (Keadaan 1) dan berkurang apabila voltan adalah negatif (Keadaan 2), gambar gelombang arus induktor ditunjukkan dalam Rajah 2:
Dari rajah di atas, kita boleh lihat bahawa arus maksimum melalui induktor adalah arus DC tambah separuh daripada arus puncak-puncak pergantian. Rajah di atas juga menunjukkan arus ripples. Mengikut formula yang disebutkan di atas, arus puncak boleh dikira seperti berikut: di mana ton adalah masa dalam Keadaan 1, T adalah tempoh pergantian, dan DC adalah kitaran kerja bagi Keadaan 1.
Litar Pengubahan Selaras
Litar Pengubahan Tak Selaras
Rs: Rintangan gabungan bagi rintangan pengesan arus dan rintangan anggaran induktor. Vf: Voltan terus hadapan bagi diod Schottky. R: Rintangan jumlah dalam laluan konduksi, dikira sebagai R=Rs+Rm, di mana adalah rintangan keadaan-aktif MOSFET.
Kepenuhan Inti Induktor
Dari arus puncak induktor yang dikira, kita tahu bahawa apabila arus melalui induktor meningkat, induktansinya akan meluruh. Ini ditentukan oleh sifat fizik bahan inti. Tingkat peluruhan induktansi adalah kritikal: jika peluruhan terlalu teruk, penukar tidak akan beroperasi dengan normal. Arus pada mana induktor gagal kerana arus yang terlalu tinggi dipanggil arus jenuh, satu parameter asas bagi induktor.
Lengkung jenuh bagi induktor kuasa dalam litar penukar adalah penting dan layak mendapat perhatian. Untuk memahami konsep ini, anda boleh mengamati lengkung pengukuran sebenar L lawan arus DC.
Apabila arus meningkat di luar ambang tertentu, induktansi jatuh secara tajam—fenomena yang dikenali sebagai jenuh. Peningkatan arus lebih lanjut boleh menyebabkan induktor gagal sepenuhnya.
Dengan ciri khas jenuhan ini, kita boleh faham mengapa semua penukar menentukan julat perubahan nilai induktans (△L ≤ 20% atau 30%) di bawah arus keluaran DC, dan mengapa spesifikasi induktor termasuk parameter Isat. Kebiasaannya, perubahan dalam arus riak tidak memberi kesan yang ketara kepada induktans, oleh itu dalam semua aplikasi, adalah diingini untuk meminimumkan arus riak sebanyak mungkin kerana ia mempengaruhi riak voltan keluaran. Inilah sebabnya sentiasa terdapat kebimbangan besar tentang tahap penurunan induktans di bawah arus keluaran DC, manakala induktans di bawah arus riak sering diabaikan dalam spesifikasi.
Pemilihan Induktor Yang Sesuai untuk Bekalan Kuasa Penenapan
Induktor adalah komponen yang biasa digunakan dalam bekalan kuasa pengecam. Disebabkan perbezaan fasa antara arus dan voltan mereka, secara teori, kerugian adalah sifar. Induktor sering berkhidmat sebagai elemen penyimpanan tenaga, dengan ciri "menentang yang masuk dan menyimpan yang keluar," dan sering digunakan bersama dengan kapasitor dalam litar penapis input dan output untuk menyeimbangkan arus.
Sebagai komponen magnetik, induktor secara inheren menghadapi isu kesejajaran magnetik. Beberapa aplikasi membenarkan kesejajaran induktor, beberapa membenarkan kesejajaran bermula dari nilai arus tertentu, manakala yang lain melarangnya dengan ketat, memerlukan pembezaan dalam litar spesifik. Dalam kebanyakan kes, induktor beroperasi dalam "kawasan linear", di mana nilai induktans tetap dan tidak berubah dengan voltan atau arus terminal. Walau bagaimanapun, bekalan kuasa bertukar mempunyai masalah yang tidak dapat diabaikan: pusingan induktor memperkenalkan dua parameter teragih (atau parasit). Salah satu adalah rintangan pusingan yang tidak boleh elakkan, dan yang lain adalah kapasitansi teragih terayun berkaitan dengan proses dan bahan pusingan. Kapasitansi terayun mempunyai impak minimum pada frekuensi rendah, tetapi kesannya menjadi semakin jelas apabila frekuensi meningkat. Apabila frekuensi melebihi nilai tertentu, induktor mungkin menunjukkan ciri kapasitif. Jika kapasitansi terayun "dikumpulkan" sebagai kapasitor tunggal, litar setara induktor menyatakan kelakuannya yang kapasitif di luar frekuensi tertentu.
Apabila menganalisis status operasi sebuah induktor dalam litar, ciri-ciri berikut mestilah dipertimbangkan:
1. Apabila arus I mengalir melalui induktor L, tenaga yang disimpan dalam induktor adalah: E=0.5 × L× I2(1)
2. Dalam satu kitaran pemulaian, hubungan antara perubahan arus induktor (nilai puncak-puncak arus ripples) dan voltan di atas induktor adalah:
V=(L × di)/dt(2), Ini menunjukkan bahawa magnitud arus ripples adalah berkaitan dengan nilai induktans.
3. Induktor juga melalui proses cas dan pelepasan cas. Arus melalui induktor adalah berkadar terus dengan kamiran voltan (volt-sekunder) di atasnya. Selagi voltan induktor berubah, kadar perubahan arus di/dt juga akan berubah: voltan ke hadapan menyebabkan arus naik secara linear, manakala voltan songsang menyebabkannya turun secara linear.
Pemilihan Induktor untuk Bekalan Kuasa Tukar-Tukar Jenis Buck
Apabila memilih induktor untuk bekalan kuasa tukar-tukar jenis buck, adalah perlu menentukan voltan input maksimum, voltan output, frekuensi pengalihan kuasa, arus riak maksimum, dan kitaran duty. Perkara berikutnya menerangkan pengiraan nilai induktans bagi bekalan kuasa tukar-tukar jenis buck. Pertama, anggap bahawa frekuensi pengalihan ialah 300 kHz, julat voltan input ialah 12 V ± 10%, arus output ialah 1 A, dan arus riak maksimum ialah 300 mA.
Rajah Litar Bekalan Kuasa Tukar-Tukar Jenis Buck
Voltan masukan maksimum adalah 13.2V, dan kitaran tugas yang sepadan adalah: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), di mana Vo adalah voltan keluaran dan Vi adalah voltan masukan. Apabila transistor pemula hidup, voltan melintasi induktor adalah: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Apabila transistor pemula mati, voltan melintasi induktor adalah: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6). Menggantikan persamaan (2), (3), dan (6) ke dalam persamaan (2):
Pemilihan Induktor untuk Bekalan Kuasa Tukar Jenis Jenis Peningkatan
Pengiraan nilai induktans bagi bekalan kuasa pengecut, kecuali formula hubungan di antara kitaran tugas dan voltan induktor telah berubah, proses lain adalah sama dengan kaedah pengiraan bekalan kuasa pengecut buck. Anggapkan frekuensi pengecutan ialah 300 kHz, julat voltan input ialah 5 V ± 10%, arus output ialah 500 mA, dan kecekapan ialah 80%, arus ria maksimum ialah 450 mA, dan kitaran tugas yang sepadan ialah: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Rajah litar bekalan kuasa pengecut boost
Apabila suis dinyalakan, voltan di seluruh induktor adalah: V = Vi = 5.5 V (8), Apabila suis dimatikan, voltan di seluruh induktor adalah: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Menggantikan formula 6/7/8 ke dalam formula 2 memberikan:
Sila ambil perhatian bahawa, berbeza dengan penurun buck, peningkat boost tidak menyediakan arus beban secara terus-menerus dari induktor. Apabila transistor penyilap menyala, arus induktor mengalir melalui suis ke tanah, manakala arus beban disediakan oleh kapasitor keluaran. Oleh itu, kapasitor keluaran mesti menyimpan tenaga yang mencukupi untuk menyokong beban semasa tempoh ini. Walau bagaimanapun, apabila suis mati, arus induktor tidak hanya menyokong beban tetapi juga membebankan kapasitor keluaran.
Secara amnya, meningkatkan nilai induktans mengurangkan riak keluaran tetapi memburukkan respon dinamik bekalan kuasa. Oleh itu, induktans optimum mestilah dipilih berdasarkan keperluan aplikasi tertentu. Frekuensi penyilapan yang lebih tinggi membenarkan nilai induktans yang lebih kecil, yang mengurangkan saiz induktor dan menyelamatkan ruang PCB. Akibatnya, bekalan kuasa penyilap moden cenderung menuju kepada frekuensi yang lebih tinggi untuk memenuhi permintaan produk elektronik yang lebih kecil.
Analisis dan Aplikasi Bekalan Kuasa Tukar
Mengenai Hukum Lenz: Dalam litar dikuasakan DC, disebabkan oleh induktans sendiri guli, satu daya elektromotif (EMF) dianjurkan yang menentang peningkatan arus. Oleh itu, pada saat kuasa hidup, arus litar adalah secara efektif sifar, dan keseluruhan jatuh voltan berlaku di atas guli. Arus itu kemudian meningkat secara beransur-ansur sebagai voltan guli berkurang kepada sifar, menandakan tamatnya keadaan sementara. Dalam operasi pengubah tukar, induktor tidak boleh memasuki kerosakan untuk memastikan penyimpanan dan pemindahan tenaga yang cekap. Induktor yang rosak bertindak seperti satu laluan DC terus, kehilangan keupayaannya untuk menyimpan tenaga, yang merosakkan fungsi pengubah. Apabila frekuensi tukaran adalah tetap, nilai induktans mesti cukup besar untuk mengelakkan kerosakan di bawah arus puncak.
Pengukuran Induktans dalam Bekalan Kuasa Tukar: Pada frekuensi tukaran yang lebih rendah, kerana tempoh on/off adalah lebih panjang, nilai induktans yang lebih besar diperlukan untuk mengekalkan output berterusan. Ini membolehkan induktor menyimpan lebih banyak tenaga medan magnetik. Selain itu, tempoh tukaran yang lebih panjang mengakibatkan penyegaran tenaga menjadi kurang kerap, membawa kepada kerosakan arus yang relatif lebih kecil. Prinsip ini boleh dijelaskan oleh formula: L = (dt/di) * uL di mana D = Vo/Vi (siklus tugas), dt = D/F (tempoh on), F = frekuensi tukaran, dan di = kerosakan arus. Untuk penukar buck, D = 1 - Vi/Vo; untuk penukar boost, D = Vo/Vi. Dengan menyusun semula memberikan: L = D * uL / (F * di). Apabila F berkurang, L mesti meningkat secara proporsional. Sebaliknya, meningkatkan L sementara mengekalkan parameter lain tetap mengurangkan di (kerosakan arus). Pada frekuensi yang lebih tinggi, peningkatan induktans meningkatkan impedans, membawa kepada kerugian kuasa yang meningkat dan kecekapan yang berkurang. Secara amnya, dengan frekuensi tetap, L yang lebih besar mengurangkan ripples output tetapi merosakkan respons dinamik (penyesuaian yang lebih perlahan terhadap perubahan beban). Oleh itu, induktans optimum harus dipilih berdasarkan keperluan aplikasi untuk menyeimbangkan pengurangan ripple dan prestasi sementara.