EN
Cewka jest powszechnym komponentem przechowującym energię w obwodach, pełniącym role takie jak filtracja, podnoszenie i obniżanie napięcia w projektowaniu źródeł zasilania przemiennikowych. Na etapie wstępnego projektowania inżynierowie muszą nie tylko wybrać odpowiednie wartości indukcyjności, ale również uwzględnić prąd, którego cewka może wytrzymać, DCR spirali, wymiary mechaniczne, straty i wiele innych czynników. Jeśli nie są dostatecznie znakiemi z funkcji cewek, często będą pasywni w projekcie i stracą dużo czasu.
Rozumienie funkcji cewek
Cewka to "L" w obwodzie filtrującym LC na wyjściu przemiennika zasilającego. W konwersji buck jedno z końców cewki jest połączone z napięciem wyjściowym DC, a druga końcówka przełączana między napięciem wejściowym a GND zgodnie z częstotliwością przełączania.
W stanie 1 cewka jest połączona z napięciem wejściowym przez MOSFET. W stanie 2 cewka jest połączona z GND.
Ze względu na użycie tego typu kontrolera, istnieją dwa sposoby ziemienia kondensatora: przez diodę lub przez MOSFET. Jeśli wybrano pierwszą metodę, konwerter nazywa się trybem asynchronicznym. W drugim przypadku, konwerter jest określany jako tryb synchroniczny.
W stanie 1, jedno końcowe kondensatora jest połączone z napięciem wejściowym, a drugie z napięciem wyjściowym. Dla konwertera typu buck, napięcie wejściowe musi być większe niż napięcie wyjściowe, więc powstaje spadek napięcia w kierunku przód przez kondensator.
W stanie 2, końcowe kondensatora, które było wcześniej połączone z napięciem wejściowym, jest teraz połączone z masą. Dla konwertera typu buck, napięcie wyjściowe jest zawsze biegunem dodatnim, więc powstaje spadek napięcia ujemnego przez kondensator.
Formuła do obliczania napięcia kondensatora
V=L(dI/dt). Ponieważ prąd przepływający przez cewkę rośnie, gdy napięcie na cewce jest dodatnie (Stan 1) i maleje, gdy napięcie jest ujemne (Stan 2), wykres prądu cewki przedstawiony jest na Rysunku 2:
Z powyższego rysunku widać, że maksymalny prąd przepływający przez cewkę to prąd stały plus połowa prądu szczytowego zmianowego. Powyższy rysunek pokazuje również prąd pulsacyjny. Według wymienionego wcześniej wzoru prąd szczytowy można obliczyć następująco: gdzie ton to czas w Stanie 1, T to okres przełączania, a DC to współczynnik pracy Stanu 1.
Synchroniczny Obwód Konwersji
Niesynchroniczny Obwód Konwersji
Rs: Łączny opór rezystora czujnika prądu i oporu wiązki cewki. Vf: Spadek napięcia prostopadłego diody Schottky'ego. R: Całkowity opór w ścieżce przewodzenia, obliczany jako R=Rs+Rm, gdzie jest oporem stanu włączonego MOSFET'a.
Nasycenie rdzenia cewki
Na podstawie obliczonego maksymalnego prądu cewki wiemy, że w miarę zwiększania prądu przepływającego przez cewkę, jej indukcyjność będzie maleć. To zjawisko jest określone przez właściwości fizyczne materiału rdzenia. Stopień spadku indukcyjności jest kluczowy: jeśli spadek będzie zbyt duży, przekształtnik nie będzie działał prawidłowo. Prąd, przy którym cewka ulega uszkodzeniu z powodu zbyt dużego prądu, nazywany jest prądem nasycenia, co jest podstawowym parametrem cewki.
Krzywa nasycenia mocowych cewek w obwodach przekształtnikowych jest kluczowa i wymaga uwagi. Aby zrozumieć ten koncept, możesz zaobserwować rzeczywiście zmierzoną krzywą zależności L od prądu DC.
Gdy prąd przekracza pewien próg, indukcyjność gwałtownie maleje – zjawisko to nazywane jest nasyceniem. Dalsze wzrosty prądu mogą spowodować całkowite uszkodzenie cewki.
Z tą charakterystyką nasycenia możemy zrozumieć, dlaczego wszystkie konwertery określają zakres zmiany wartości indukcyjności (△L ≤ 20% lub 30%) przy prądzie wyjściowym kontynuacyjnym, oraz dlaczego w specyfikacji cewki znajduje się parametr Isat. Ponieważ zmiana prądu pulsującego nie wpływa znacząco na indukcyjność, w każdym zastosowaniu stara się zminimalizować prąd pulsujący tak bardzo, jak to możliwe, ponieważ ma on wpływ na pulsowanie napięcia wyjściowego. Dlatego zawsze istnieje wielka troska o stopień osłabienia indukcyjności przy prądzie wyjściowym kontynuacyjnym, podczas gdy indukcyjność przy prądzie pulsującym jest często pomijana w specyfikacjach.
Wybór odpowiednich cewek dla przekaźników napędowych
Cewki są powszechnie używanymi elementami w przekształtnikach napędowych. Ze względu na różnicę faz między prądem a napięciem, teoretycznie strata wynosi zero. Cewki często służą jako elementy przechowujące energię, mające charakterystykę "opierania się przychodzącej i utrzymywania wychodzącej" i są często stosowane razem z kondensatorami w obwodach filtrujących wejściowych i wyjściowych, aby wygładzić prąd.
Jako komponenty magnetyczne, cewki napotykają naturalnie na problem nasycenia magnetycznego. Niektóre zastosowania pozwalają na nasycenie cewki, inne dopuszczają nasycenie od określonej wartości prądu, podczas gdy w innych jest ono ściśle zabronione, co wymaga różnicowania w konkretnych obwodach. W większości przypadków cewki działają w "obszarze liniowym", gdzie wartość indukcyjności pozostaje stała i nie zmienia się w zależności od napięcia ani prądu na końcach. Jednakże, w przekształtnikach przemiennikowych występuje niebagatelny problem: cewki mają dwie rozproszone (lub parazytyczne) parametry. Pierwszym jest nieunikniony opór wińca, a drugim rozproszone pojemnictwo związane z procesem wićcia i materiałami. Pojemnictwo rozproszone ma minimalny wpływ przy niskich częstotliwościach, ale jego efekt staje się coraz bardziej widoczny w miarę wzrostu częstotliwości. Gdy częstotliwość przekracza określoną wartość, cewka może objawić cechy pojemnościowe. Jeśli pojemnictwo rozproszone zostanie "skupione" jako pojedynczy kondensator, schemat równoważny cewki pokazuje jej zachowanie pojemnościowe powyżej konkretnej częstotliwości.
Podczas analizy stanu operacyjnego cewki w obwodzie należy uwzględnić następujące cechy:
1. Gdy prąd I przepływa przez cewkę L, energia przechowywana w cewce wynosi: E=0,5 × L × I² (1)
2. W cyklu przełączania, związek między zmianą prądu w cewce (wartością szczytową pulsacji prądu) a napięciem na cewce jest następujący:
V=(L × di)/dt (2), co oznacza, że wielkość pulsacji prądu zależy od wartości indukcyjności.
3. Cewki podlegają również procesom ładowania i rozładowywania. Prąd przepływający przez cewkę jest proporcjonalny do całki napięcia (wolt-sekundy) na niej. Dopóki zmienia się napięcie na cewce, zmienia się również szybkość zmiany prądu di/dt: napięcie przódowe powoduje liniowe wzrosty prądu, natomiast napięcie odwrotne powoduje jego liniowe spadki.
Wybór kondensatorów dla zasilaczy przemiennikowych typu buck
Podczas wybierania kondensatora dla zasilacza przemiennikowego typu buck konieczne jest ustalenie maksymalnego napięcia wejściowego, napięcia wyjściowego, częstotliwości przełączania mocy, maksymalnego prądu pulsującego i cyklu pracy. Poniżej opisano obliczanie wartości indukcyjności dla zasilacza przemiennikowego typu buck. Załóżmy, że częstotliwość przełączania wynosi 300 kHz, zakres napięcia wejściowego to 12 V ± 10%, prąd wyjściowy to 1 A, a maksymalny prąd pulsujący wynosi 300 mA.
Schemat zasadniczy zasilacza przemiennikowego typu buck
Maksymalne napięcie wejściowe wynosi 13,2V, a odpowiadający mu współczynnik pracy to: D＝Vo/Vi＝5/13,2＝0,379(3), gdzie Vo to napięcie wyjściowe, a Vi to napięcie wejściowe. Gdy tranzystor przekaźnikowy jest włączony, napięcie na czujniku wynosi: V = Vi - Vo = 8,2 V(4). Gdy tranzystor przekaźnikowy jest wyłączony, napięcie na czujniku wynosi: V＝-Vo－Vd＝-5,3V(5). dt＝D/F(6). Podstawiając równania (2), (3) i (6) do równania (2):
Wybór czujników dla zasilaczy przemiennikowych typu boost
Obliczanie wartości indukcyjności dla zasilacza przemiennego typu boost, oprócz zmiany wzoru na zależność między cyklem pracy a napięciem induktora, pozostałe procesy są takie same jak w metodzie obliczania zasilacza przemiennego typu buck. Zakładając, że częstotliwość przełączania wynosi 300 kHz, zakres napięcia wejściowego to 5 V ± 10%, prąd wyjściowy to 500 mA, a efektywność to 80%, maksymalny prąd pulsacyjny wynosi 450 mA, a odpowiadający mu cykl pracy to: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).
Schemat zasilacza przemiennego typu boost
Gdy przełącznik jest włączony, napięcie na induktorze wynosi: V = Vi = 5.5 V (8), Gdy przełącznik jest wyłączony, napięcie na induktorze wynosi: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), Podstawiając wzory 6/7/8 do wzoru 2 otrzymujemy:
Zwróć uwagę, że w przeciwieństwie do konwerterów spadkowych, konwertery podnoszące nie dostarczają prądu obciążeniowego ciągle z dławika. Gdy przekaźnik jest przewodzący, prąd dławika płynie przez przekaźnik do masy, podczas gdy prąd obciążeniowy jest zapewniany przez kondensator wyjściowy. Dlatego kondensator wyjściowy musi przechowywać wystarczającą energię, aby zaopatrywać obciążenie w tym okresie. Jednakże, gdy przekaźnik jest wyłączony, prąd dławika nie tylko zaopatruje obciążenie, ale również ładowanie kondensatora wyjściowego.
Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie wartości indukcyjności zmniejsza pulsacje na wyjściu, ale pogarsza dynamiczną odpowiedź źródła zasilania. Dlatego optymalna indukcyjność powinna być wybrana na podstawie konkretnych wymagań aplikacji. Wyższe częstotliwości przełączania pozwalają na mniejsze wartości indukcyjności, co zmniejsza rozmiar dławika i oszczędza miejsce na PCB. W związku z tym nowoczesne źródła zasilania przemiennikowe tendencją do wyższych częstotliwości, aby spełnić popyt na mniejsze produkty elektroniczne.
Analiza i zastosowanie przekształtnic napędowych
W sprawie prawa Lenza: W obwodzie napowiadającym prądem stałym, z powodu sam indukcyjności cewki, powstaje elektromotyw (EMF), który opiera się wzrostowi prądu. Dlatego w momencie włączenia, prąd w obwodzie jest efektywnie równy zero, a całe spadek napięcia występuje na cewce. Prąd następnie stopniowo rośnie, gdy napięcie na cewce maleje do zera, oznaczając końca stanu przejściowego. W pracy konwertera przemiennego, induktor nie może wejść w sytuację nasycenia, aby zapewnić wydajne przechowywanie i przenoszenie energii. Nasyczony induktor zachowuje się jak bezpośredni ścieżka prądu stałego, tracąc zdolność do przechowywania energii, co podkopuje funkcjonalność konwertera. Gdy częstotliwość przemienna jest stała, wartość indukcyjności musi być wystarczająco duża, aby zapobiec nasyceniu przy szczytowych prądach.
Określenie indukcyjności w przekształtnicach zasilania: W niższych częstotliwościach przełączania, ponieważ trwania stanów włączonego/wyłączonego są dłuższe, wymagana jest większa wartość indukcyjności, aby utrzymać ciągły wyjściowy prąd. Pozwala to cewce na magazynowanie większej energii pola magnetycznego. Ponadto, dłuższe okresy przełączania prowadzą do mniej częstego uzupełniania energii, co powoduje względnie mniejsze wahania prądu. Ten zasade można wyjaśnić za pomocą wzoru: L = (dt/di) * uL, gdzie D = Vo/Vi (cykl pracy), dt = D/F (czas włączenia), F = częstotliwość przełączania, a di = wahania prądu. Dla przekształtnic typu buck, D = 1 - Vi/Vo; dla przekształtnic typu boost, D = Vo/Vi. Przekształcając wzór, otrzymujemy: L = D * uL / (F * di). Gdy F maleje, L musi wzrosnąć proporcjonalnie. Natomiast zwiększenie L przy stałych innych parametrach zmniejsza di (wahania prądu). W wyższych częstotliwościach, zwiększenie indukcyjności podnosi impedancję, co prowadzi do zwiększonej straty mocy i obniżenia efektywności. Ogólnie rzecz biorąc, przy ustalonej częstotliwości, większa L zmniejsza wahania wyjściowe, ale gorszy jest odpowiedź dynamiczny (wolniejsza adaptacja do zmian obciążenia). Dlatego optymalna indukcyjność powinna być dobrana na podstawie wymagań aplikacji, aby zrównoważyć redukcję wahania i wydajność w warunkach przelotowych.