Как выбрать правильный индуктор для импульсных источников питания

Индуктор является распространенным пассивным компонентом для хранения энергии в цепях, выполняющим функции фильтрации, повышения и понижения напряжения в проектировании импульсных источников питания. На ранней стадии разработки схемы инженеры не только должны выбрать подходящие значения индуктивности, но и учитывать ток, который может выдержать индуктор, сопротивление DCR катушки, габаритные размеры, потери и так далее. Если они недостаточно знакомы с функциями индукторов, они часто будут пассивными в проектировании и потратят много времени.

Понимание функций индукторов

Индуктор — это "L" в LC-фильтровой цепи на выходе импульсного источника питания. В преобразовании понижения (buck) один конец индуктора подключен к постоянному выходному напряжению, а другой конец переключается между входным напряжением и GND в соответствии с частотой переключения.

В состоянии 1 индуктор подключен к входному напряжению через MOSFET. В состоянии 2 индуктор подключен к GND.
В результате использования данного типа контроллера существует два способа заземления индуктора: через диод или через МОП-транзистор. Если используется первый метод, преобразователь называется асинхронным режимом. Во втором случае преобразователь называется синхронным режимом.

В состоянии 1 один конец индуктора подсоединен к входному напряжению, а другой конец подсоединен к выходному напряжению. Для понижающего преобразователя входное напряжение должно быть выше выходного напряжения, поэтому через индуктор образуется прямой падение напряжения.
В состоянии 2 конец индуктора, который изначально был подсоединен к входному напряжению, подсоединен к массе. Для понижающего преобразователя выходное напряжение обязательно является положительным полюсом, поэтому через индуктор образуется отрицательное падение напряжения.

Формула расчета напряжения индуктора

V=L(dI/dt). Поскольку ток через индуктор увеличивается, когда напряжение индуктора положительное (Состояние 1) и уменьшается, когда напряжение отрицательное (Состояние 2), форма тока индуктора показана на Рисунке 2:

Из приведенной выше схемы видно, что максимальный ток через индуктор равен сумме постоянного тока и половины пикового амплитудного тока переключения. Приведенная выше схема также показывает рipples тока. Согласно указанной выше формуле, пиковый ток можно рассчитать следующим образом: где ton — время в состоянии 1, T — период переключения, а DC — коэффициент заполнения состояния 1.

Синхронная цепь преобразования

Асинхронная цепь преобразования

Rs: Общий сопротивление резистора для измерения тока и сопротивления обмотки индуктора. Vf: Падение напряжения в прямом направлении Шотткиного диода. R: Общее сопротивление в пути проводимости, вычисленное как R=Rs+Rm, где есть сопротивление MOSFET в рабочем состоянии.

Насыщение сердечника индуктора

Из рассчитанного пикового тока индуктора мы знаем, что по мере увеличения тока через индуктор его индуктивность будет уменьшаться. Это определяется физическими свойствами материала сердечника. Степень уменьшения индуктивности критична: если уменьшение слишком сильное, преобразователь не сможет нормально работать. Ток, при котором индуктор выходит из строя из-за чрезмерного тока, называется током насыщения — фундаментальным параметром индуктора.
Кривая насыщения силовых индукторов в цепях преобразователей является важной и заслуживает внимания. Для понимания этой концепции вы можете наблюдать фактически измеренную кривую зависимости L от постоянного тока.

Когда ток возрастает выше определенного порога, индуктивность резко падает — явление, известное как насыщение. Дальнейшее увеличение тока может привести к полному выходу индуктора из строя.
С помощью этой характеристики насыщения можно понять, почему все преобразователи указывают диапазон изменения индуктивности (△L ≤ 20% или 30%) при постоянном токе выхода, и почему спецификация индуктора включает параметр Isat. Поскольку изменение пульсации тока не оказывает существенного влияния на индуктивность, во всех приложениях желательно минимизировать пульсацию тока настолько, насколько это возможно, так как она влияет на пульсацию выходного напряжения. Именно поэтому всегда существует большая озабоченность относительно степени ослабления индуктивности при постоянном выходном токе, тогда как индуктивность при пульсирующем токе часто игнорируется в спецификациях.

Выбор подходящих индукторов для импульсных источников питания

Индукторы являются часто используемыми компонентами в импульсных источниках питания. Из-за фазовой разницы между током и напряжением, теоретически, потери равны нулю. Индукторы часто используются как элементы хранения энергии, обладая характеристикой "противодействия входящему и сохранения исходящего", и часто применяются вместе с конденсаторами в цепях входного и выходного фильтра для сглаживания тока.
Как магнитные компоненты, индукторы изначально сталкиваются с проблемой магнитной насыщенности. Некоторые приложения допускают насыщение индуктора, другие разрешают насыщение, начиная с определённого значения тока, в то время как третьи строго запрещают его, требуя дифференциации в конкретных цепях. В большинстве случаев индукторы работают в "линейной области", где значение индуктивности остаётся постоянным и не изменяется с изменением напряжения или тока на терминалах. Однако в импульсных источниках питания существует незначительная, но важная проблема: обмотки индуктора вводят два распределённых (или паразитных) параметра. Первый — это неизбежное сопротивление обмотки, а второй — распределённая паразитная ёмкость, связанная с процессом обмотки и материалами. Паразитная ёмкость имеет минимальное влияние на низких частотах, но её воздействие становится всё более заметным по мере увеличения частоты. Когда частота превышает определённое значение, индуктор может проявлять ёмистые характеристики. Если паразитную ёмкость "объединить" в виде одного конденсатора, эквивалентная схема индуктора показывает его ёмистое поведение за пределами определённой частоты.

При анализе рабочего состояния индуктора в цепи необходимо учитывать следующие характеристики:
1. Когда через индуктор L течёт ток I, энергия, накопленная в индукторе, равна: E=0.5 × L× I2(1)
2. В цикле переключения существует связь между изменением тока через индуктор (пиковое значение пульсации тока) и напряжением на индукторе:
V=(L × di)/dt(2). Это показывает, что величина пульсации тока связана с значением индуктивности.
3. Индукторы также проходят процессы зарядки и разрядки. Ток через индуктор пропорционален интегралу напряжения (вольт-секунды) на нём. Пока напряжение на индукторе меняется, скорость изменения тока di/dt также будет меняться: прямое напряжение вызывает линейный рост тока, а обратное напряжение вызывает его линейное падение.

Выбор индукторов для импульсных источников питания типа понижающего преобразователя

При выборе индуктора для импульсного источника питания типа понижающего преобразователя необходимо определить максимальное входное напряжение, выходное напряжение, частоту переключения мощности, максимальный пульсирующий ток и коэффициент заполнения. Ниже описывается расчет значения индуктивности для импульсного источника питания типа понижающего преобразователя. Сначала предположим, что частота переключения составляет 300 кГц, диапазон входного напряжения равен 12 В ± 10%, выходной ток равен 1 А, а максимальный пульсирующий ток равен 300 мА.

Схемная диаграмма импульсного источника питания типа понижающего преобразователя

Максимальное входное напряжение составляет 13.2В, и соответствующий коэффициент заполнения равен: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), где Vo — это выходное напряжение, а Vi — входное напряжение. Когда транзистор включен, напряжение на дросселе равно: V = Vi - Vo = 8.2 В(4). Когда транзистор выключен, напряжение на дросселе равно: V＝-Vo－Vd＝-5.3В(5). dt＝D/F(6). Подставляя уравнения (2), (3) и (6) в уравнение (2):

Выбор индуктивностей для повышающих импульсных источников питания

Расчет значения индуктивности для повышающего импульсного источника питания, за исключением того, что формула взаимосвязи между коэффициентом заполнения и напряжением индуктора изменена, остальные процессы такие же, как и метод расчета для понижающего импульсного источника питания. Предполагая, что частота переключения составляет 300 кГц, диапазон входного напряжения равен 5 В ± 10%, выходной ток равен 500 мА, а КПД равен 80%, максимальный пульсирующий ток равен 450 мА, а соответствующий коэффициент заполнения: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).

Схема повышающего импульсного источника питания

Когда ключ включен, напряжение на индукторе равно: V = Vi = 5.5 В (8), Когда ключ выключен, напряжение на индукторе равно: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 В (9), Подставляя формулы 6/7/8 в формулу 2, получаем:

Обратите внимание, что в отличие от понижающих преобразователей, повышающие преобразователи не непрерывно подают ток нагрузки с индуктора. Когда транзистор переключателя проводит ток, ток индуктора проходит через переключатель к земле, а ток нагрузки обеспечивается выходным конденсатором. Следовательно, выходной конденсатор должен хранить достаточную энергию для питания нагрузки в этот период. Однако, когда переключатель выключен, ток индуктора не только питает нагрузку, но и заряжает выходной конденсатор.
Обычно увеличение значения индуктивности уменьшает рipples на выходе, но ухудшает динамический отклик источника питания. Поэтому оптимальная индуктивность должна выбираться на основе конкретных требований приложения. Более высокие частоты переключения позволяют использовать меньшие значения индуктивности, что уменьшает размер индуктора и экономит место на ПЛИС. Таким образом, современные импульсные источники питания стремятся к более высоким частотам для удовлетворения потребности в более компактных электронных продуктах.

Анализ и применение импульсных источников питания

Относительно закона Ленца: В цепи, питаемой от постоянного тока, из-за самоиндукции катушки возникает электродвижущая сила (ЭДС), которая противодействует увеличению тока. Поэтому в момент включения ток в цепи фактически равен нулю, и вся падение напряжения происходит на катушке. Ток затем постепенно возрастает по мере уменьшения напряжения на катушке до нуля, что означает окончание переходного процесса. При работе преобразователя с переключением индуктор не должен входить в насыщение для обеспечения эффективного хранения и передачи энергии. Насыщенный индуктор ведет себя как прямой путь для постоянного тока, теряя способность хранить энергию, что подрывает функциональность преобразователя. Когда частота переключения фиксирована, значение индуктивности должно быть достаточно большим, чтобы предотвратить насыщение при пиковых токах.

Определение индуктивности в импульсных источниках питания: При более низких частотах переключения, так как длительности включения/выключения больше, требуется большее значение индуктивности для поддержания непрерывного выхода. Это позволяет дросселю хранить больше энергии магнитного поля. Кроме того, более длинные периоды переключения приводят к менее частому восполнению энергии, что вызывает относительно меньшую пульсацию тока. Этот принцип можно объяснить формулой: L = (dt/di) * uL, где D = Vo/Vi (цикл включения), dt = D/F (время включения), F = частота переключения, и di = пульсация тока. Для понижающих преобразователей, D = 1 - Vi/Vo; для повышающих преобразователей, D = Vo/Vi. Перестановка даёт: L = D * uL / (F * di). Когда F уменьшается, L должно увеличиваться пропорционально. Наоборот, увеличение L при постоянных других параметрах снижает di (пульсацию тока). При высоких частотах увеличение индуктивности повышает импеданс, что приводит к увеличению потерь мощности и снижению эффективности. Обычно, с фиксированной частотой, большая L уменьшает пульсации на выходе, но ухудшает динамический отклик (медленнее адаптация к изменениям нагрузки). Следовательно, оптимальная индуктивность должна выбираться на основе требований приложения для балансировки между снижением пульсаций и производительностью при переходных процессах.