EN
Een spoel is een veelvoorkomend energie-opslagend passief component in schakelingen, dat functies vervult zoals filteren, verhogen en verlagen in de ontwerp van schakelvoedingen. In het beginstadium van het ontwerpproces moeten ingenieurs niet alleen geschikte spoelwaarden selecteren, maar ook rekening houden met de stroom die de spoel kan verdragen, de DCR van de spoeldraad, mechanische afmetingen, verliezen enzovoort. Als ze onvoldoende vertrouwd zijn met de functies van spoelen, zullen ze vaak passief zijn in het ontwerp en veel tijd verspillen.
Inzicht in de functies van spoelen
Een spoel is de "L" in de LC-filtercircuit aan de uitgang van een schakelvoeding. In een buck-conversie is een uiteinde van de spoel verbonden met de DC-uitgangsspanning, terwijl het andere uiteinde wisselt tussen de inkomende spanning en GND volgens de schakelfrequentie.
In staat 1 is de spoel verbonden met de inkomende spanning via de MOSFET. In staat 2 is de spoel verbonden met GND.
Door het gebruik van dit type controller zijn er twee manieren om de spoel te gronden: gronden via een diode of via een MOSFET. Als de eerste methode wordt toegepast, heet de converter asynchroon modus. In het laatste geval wordt de converter aangeduid als synchroon modus.
In staat 1 is een uiteinde van de spoel verbonden met de invoerspanning en het andere uiteinde met de uitvoerspanning. Voor een buck-converter moet de invoerspanning hoger zijn dan de uitvoerspanning, waardoor er een voorwaartse spanning over de spoel ontstaat.
In staat 2 wordt het uiteinde van de spoel dat oorspronkelijk was verbonden met de invoerspanning nu verbonden met de grond. Voor een buck-converter is de uitvoerspanning noodzakelijk het positieve terminal, waardoor er een negatieve spanning over de spoel ontstaat.
Formule voor berekening van spoelspanning
V=L(dI/dt). Aangezien de stroom door de spoel toeneemt wanneer de spoelspanning positief is (Staat 1) en afneemt wanneer de spanning negatief is (Staat 2), wordt het spoelstroomsignaal weergegeven in Figuur 2:
Uit de bovenstaande figuur kunnen we zien dat de maximale stroom door de spoel gelijk is aan de gelijkstroom plus de helft van de schakelpiek-piekstroom. De bovenstaande figuur toont ook de rimpelstroom. Volgens de vermelde formule kan de piekstroom als volgt worden berekend: waarbij ton de tijd in Staat 1 is, T de schakelperiode is, en DC het duty cycle van Staat 1.
Gesynchroniseerde Omschakelingsschakeling
Asynchrone Omschakelingsschakeling
Rs: De gecombineerde weerstand van de stroommetingsweerstand en de spoeldraadweerstand. Vf: De voorwaartse spanningsval van de Schottky-dioden. R: De totale weerstand in het geleidingspad, berekend als R=Rs+Rm, waarbij de MOSFET-aanweerstand is.
Verzadiging van de spoel kern
Uit de berekende piekstroom van de spoel blijkt dat, naarmate de stroom door de spoel toeneemt, de inductantie afneemt. Dit wordt bepaald door de fysieke eigenschappen van het kernmateriaal. De mate van inductantievermindering is cruciaal: als de vermindering te groot is, functioneert de omvormer niet normaal. De stroom waarop de spoel faalt door een te hoge stroom wordt de verzadigingsstroom genoemd, een fundamentele parameter van de spoel.
De verzadigingscurve van krachtspoelen in omvormerschakelingen is van groot belang en verdient aandacht. Om dit concept te begrijpen, kun je de daadwerkelijk gemeten curve van L versus DC-stroom observeren.
Wanneer de stroom boven een bepaalde drempel komt, neemt de inductantie scherp af – een fenomeen dat verzadiging wordt genoemd. Verdere stroomtoename kan er toe leiden dat de spoel volledig faalt.
Met deze verzadigingskenmerken kunnen we begrijpen waarom alle conversoren de variatiebereik van de inductiewaarde (△L ≤ 20% of 30%) onder de gelijkstroom uitgangsstroming specificeren, en waarom de inductiespecificatie de parameter Isat bevat. Aangezien de verandering in de rimpelstroom de inductie niet aanzienlijk beïnvloedt, wordt in alle toepassingen geprobeerd de rimpelstroom zo veel mogelijk te minimaliseren, omdat deze invloed heeft op de rimpeling van de uitgangsspanning. Daarom is er altijd grote zorg over het mate van inductievermindering onder de gelijkstroom uitgangsstroming, terwijl de inductie onder de rimpelstroom vaak over het hoofd wordt gezien in de specificaties.
Selectie van geschikte inductoren voor schakelvoedingen
Spulen zijn veelgebruikte componenten in schakelvoedingen. Door het fasedifference tussen stroom en spanning is de verlies theoretisch nul. Spulen dienen vaak als energieopslag-elementen, met de eigenschap van "het inkomende tegenwerken en het uitgaande behouden", en worden vaak samen met condensatoren in invoer- en uitvoerfiltercircuits gebruikt om de stroom te gladstrijken.
Als magnetische componenten komen spoelen inherent het probleem van magnetische verzadiging tegen. Sommige toepassingen tolereren spoelverzadiging, andere toestaan verzadiging vanaf een bepaalde stroomwaarde, terwijl weer andere het streng verbieden, wat een onderscheid vereist in specifieke schakelingen. In de meeste gevallen werken spoelen in de "lineaire regio", waarbij de spoelweerstand constant blijft en niet verandert met de spanning of stroom aan de terminalen. Switch-mode voedingen hebben echter een niet te negeren probleem: de spoelwikkels introduceren twee gedistribueerde (of parasitaire) parameters. Een daarvan is de onvermijdelijke wikkelspanning, en de ander is de gedistribueerde stray-capaciteit die gerelateerd is aan het wikkelproces en materialen. Stray-capaciteit heeft weinig invloed bij lage frequenties, maar haar effect wordt steeds zichtbaarder naarmate de frequentie stijgt. Wanneer de frequentie een bepaalde waarde overschrijdt, kan de spoel capacitieve kenmerken gaan vertonen. Als de stray-capaciteit wordt samengevat tot één capacitor, toont het equivalentelekring van de spoel haar capacitieve gedrag boven een bepaalde frequentie.
Bij het analyseren van de operationele status van een spoel in een circuit moeten de volgende kenmerken in aanmerking worden genomen:
1. Wanneer er een stroom I door een spoel L vloeit, is de in de spoel opgeslagen energie: E=0.5 × L× I2(1)
2. In een schakelcyclus is het verband tussen de variatie van de spoelstroom (piek-piek waarde van de ripple-stroom) en de spanning over de spoel:
V=(L × di)/dt(2), Dit toont aan dat de grootte van de ripple-stroom gerelateerd is aan de inductiewaarde.
3. Spoelen ondergaan ook oplading- en ontladingprocessen. De stroom door een spoel is evenredig met het integraal van de spanning (volt-seconden) eroverheen. Zolang de spoelspanning verandert, zal ook de stroomveranderingssnelheid di/dt veranderen: een voorwaartse spanning doet de stroom lineair toenemen, terwijl een omgekeerde spanning ervoor zorgt dat deze lineair afneemt.
Selectie van spoelen voor buck-type schakelvoedingen
Bij het selecteren van een spool voor een buck-type schakelvoeding is het nodig om het maximale ingangsspanning, de uitgangsspanning, de voedingschakelfrequentie, het maximale rimpelstroom en de duty cycle te bepalen. Hieronder wordt de berekening van de spoelweerstand voor een buck-type schakelvoeding beschreven. Eerst wordt aangenomen dat de schakelfrequentie 300 kHz is, het ingangsspanningsbereik 12 V ± 10%, de uitgangsstroom 1 A is, en de maximale rimpelstroom 300 mA.
De schematische tekening van een buck-type schakelvoeding
De maximale invoerspanning is 13.2V, en de overeenkomstige duty cycle is: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), waarbij Vo de uitvoerspanning is en Vi de invoerspanning. Wanneer de schakeltransistor aan staat, is de spanning over de spoel: V = Vi - Vo = 8.2 V(4). Wanneer de schakeltransistor uit staat, is de spanning over de spoel: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6). Door vergelijkingen (2), (3) en (6) in te vullen in vergelijking (2):
Selectie van spoelen voor boost-schakelvoedingen
De berekening van de inductiewaarde voor een boost schakelvoeding, behalve dat de relatieformule tussen de duty cycle en de spoelingsspanning is gewijzigd, zijn de andere processen hetzelfde als de berekeningsmethode van een buck schakelvoeding. Stel dat de schakelfrequentie 300 kHz is, het invoerspanningsbereik 5 V ± 10%, de uitstroom 500 mA, en de efficiëntie 80%, de maximale rimpelstroom 450 mA, en de overeenkomstige duty cycle:D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
De schematische tekening van een boost schakelvoeding
Wanneer de schakelaar wordt ingeschakeld, is de spanning over de spoel: V = Vi = 5.5 V (8), Wanneer de schakelaar wordt uitgeschakeld, is de spanning over de spoel: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Substitutie van formules 6/7/8 in formule 2 geeft:
Let op dat, in tegenstelling tot buck-converters, boost-converters de belastingsstroom niet continu vanuit de spoel leveren. Wanneer de schakeltransistor geleidt, stroomt de spoelstroom door de schakelaar naar de grond, terwijl de belastingsstroom wordt geleverd door de uitgangscondensator. Daarom moet de uitgangscondensator voldoende energie opslaan om de belasting te voorzien gedurende deze periode. Wanneer de schakelaar echter uit staat, voedt de spoelstroom niet alleen de belasting maar laadt ook de uitgangscondensator.
Algemeen gezien vermindert een toename van de spoelwaarde de uitgangsrippeling, maar verslechtert de dynamische respons van de voeding. Daarom dient de optimale spoelwaarde te worden geselecteerd op basis van specifieke toepassingsvereisten. Hogere schakelfrequenties laten kleiner spoelwaarden toe, wat de grootte van de spoel verkleint en PCB-ruimte bespaart. Gevolglijk richten moderne schakelvoedingen zich op hogere frequenties om aan de vraag naar kleinere elektronische producten te voldoen.
Analyse en Toepassing van Schakelvoedingen
Over Lenz' Wet: In een door gelijkstroom gevoede circuit, wordt door de zelfinductie van de spoel een elektromotorische kracht (EMK) opgewekt die de toename van de stroom tegenwerkt. Daarom is het circuitstroomopgenomen bij het inschakelen effectief nul, en treedt de totale spanning af over de spoel op. De stroom neemt vervolgens geleidelijk toe terwijl de spoelspanning afneemt tot nul, wat het einde van de tijdelijke staat aangeeft. Bij de werking van schakelspanningsomvormers mag de spoel niet in saturatie komen om efficiënt energieopslag en -overdracht te waarborgen. Een gesatureerde spoel gedraagt zich als een directe gelijkstroomverbinding, waardoor ze haar vermogen om energie op te slaan verliest, wat de functionaliteit van de omvormer ondermijnt. Wanneer de schakelfrequentie vast ligt, moet de inductiewaarde voldoende groot zijn om saturatie te voorkomen onder piekstromen.
Bepaling van de inductantie in schakelvoedingen: Bij lagere schakelfrequenties, omdat de aan/uit-duur langer is, wordt een grotere inductantiewaarde vereist om een continue uitkomst te behouden. Dit laat de spoel meer magnetische veldenergie opslaan. Bovendien leiden langere schakelperioden tot minder frequente hernieuwing van de energie, wat resulteert in relatief kleinere stroompulsaties. Dit principe kan worden verklaard door de formule: L = (dt/di) * uL waarbij D = Vo/Vi (duty cycle), dt = D/F (aanduur), F = schakelfrequentie, en di = stroompulsatie. Voor buck-converters geldt D = 1 - Vi/Vo; voor boost-converters geldt D = Vo/Vi. Door herschikken krijg je: L = D * uL / (F * di). Wanneer F afneemt, moet L proportioneel toenemen. Omgekeerd vermindert het vergroten van L terwijl andere parameters constant blijven di (stroompulsatie). Bij hogere frequenties leidt het verhogen van de inductantie tot een toename van de impedantie, wat resulteert in verhoogde vermogensverliezen en gereduceerde efficiëntie. Algemeen gesproken, met een vaste frequentie vermindert een grotere L de uitkomstpulsatie, maar verslechtert de dynamische respons (trager aanpassen aan belastingveranderingen). Daarom dient de optimale inductantie te worden geselecteerd op basis van de toepassingsvereisten om een balans te vinden tussen pulsatiereductie en transient prestatie.