วิธีการเลือกอินดักเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสลับเปลี่ยน

อินดักเตอร์เป็นองค์ประกอบพาสซีฟที่เก็บพลังงานในวงจรทั่วไป โดยมีบทบาท เช่น การกรอง การบูสต์ และการลดแรงดันในการออกแบบแหล่งจ่ายไฟแบบสลับ ในการออกแบบขั้นตอนแรก วิศวกรไม่เพียงแต่ต้องเลือกค่าอินดัก턴ซ์ที่เหมาะสมเท่านั้น แต่ยังต้องพิจารณากระแสที่อินดักเตอร์สามารถรองรับได้ DCR ของขดลวด มิติทางกล การสูญเสียพลังงาน และอื่น ๆ หากพวกเขาไม่คุ้นเคยกับการทำงานของอินดักเตอร์มากพอ พวกเขามักจะถูกจำกัดในกระบวนการออกแบบและใช้เวลานานมาก

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับการทำงานของอินดักเตอร์

อินดักเตอร์คือ "L" ในวงจรกรอง LC ที่ปลายทางของแหล่งจ่ายไฟแบบสลับ ในกระบวนการแปลงแบบ buck หนึ่งขั้วของอินดักเตอร์เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้า DC ที่เอาต์พุต อีกขั้วหนึ่งสลับระหว่างแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและ GND ตามความถี่ของการสลับ

ในสถานะที่ 1 อินดักเตอร์เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าผ่าน MOSFET ในสถานะที่ 2 อินดักเตอร์เชื่อมต่อกับ GND
เนื่องจากการใช้คอนโทรลเลอร์ประเภทนี้ จึงมีสองวิธีในการต่อพื้นอินดักเตอร์: การต่อพื้นผ่านไดโอดหรือผ่าน MOSFET หากใช้วิธีแรก เครื่องแปลงจะเรียกว่าโหมดอะซิงโครนัส ในกรณีหลัง เครื่องแปลงจะถูกเรียกว่าโหมดซิงโครนัส

ในสถานะที่ 1 ปลายหนึ่งของอินดักเตอร์เชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้า และปลายอีกด้านเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาออก สำหรับเครื่องแปลงแบบบัค แรงดันไฟฟ้าขาเข้าต้องสูงกว่าแรงดันไฟฟ้าขาออก ดังนั้นจึงเกิดการลดแรงดันในแนวเดียวกันข้ามอินดักเตอร์
ในสถานะที่ 2 ปลายของอินดักเตอร์ที่เคยเชื่อมต่อกับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะเชื่อมต่อกับพื้น สำหรับเครื่องแปลงแบบบัค แรงดันไฟฟ้าขาออกจะเป็นขั้วบวกเสมอ ดังนั้นจึงเกิดการลดแรงดันในแนวตรงข้ามข้ามอินดักเตอร์

สูตรคำนวณแรงดันอินดักเตอร์

V=L(dI/dt) เนื่องจากกระแสที่ผ่านอินดักเตอร์เพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าของอินดักเตอร์เป็นบวก (สถานะ 1) และลดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าเป็นลบ (สถานะ 2) กราฟของกระแสอินดักเตอร์จึงแสดงอยู่ในรูปที่ 2:

จากกราฟดังกล่าว เราสามารถเห็นได้ว่ากระแสสูงสุดที่ผ่านอินดักเตอร์คือกระแส DC บวกกับครึ่งหนึ่งของกระแสพีคทูพีคจากการสลับ การเปลี่ยนแปลงของกระแส นอกจากนี้กราฟยังแสดงถึงกระแสริปเปิลอีกด้วย ตามสูตรที่กล่าวมาข้างต้น กระแสพีคสามารถคำนวณได้ดังนี้: โดยที่ ton คือเวลาในสถานะ 1, T คือช่วงเวลาการสลับ และ DC คือค่าความกว้างของคลื่นในสถานะ 1

วงจรการแปลงแบบซิงโครนัส

วงจรการแปลงแบบแอสซิงโครนัส

Rs: ความต้านทานรวมของตัวต้านทานสำหรับตรวจจับกระแสและแรงต้านของขดลวดอินดักเตอร์ Vf: แรงดันตรงของไดโอดชนิด Schottky R: ความต้านทานรวมในเส้นทางการนำไฟฟ้า โดยคำนวณได้จาก R=Rs+Rm โดยที่คือความต้านทานในการทำงานของ MOSFET

การอิเล็กตรอนิกส์ของแกนอินดักเตอร์

จากกระแสไฟฟ้าสูงสุดที่คำนวณได้ของอินดักเตอร์ เราทราบว่าเมื่อกระแสผ่านอินดักเตอร์เพิ่มขึ้น อินดักแตนซ์จะลดลง ซึ่งถูกกำหนดโดยคุณสมบัติทางกายภาพของวัสดุแกน อัตราการลดลงของอินดักแตนซ์เป็นสิ่งสำคัญ: หากการลดลงรุนแรงเกินไป เครื่องแปลงจะไม่ทำงานตามปกติ กระแสที่ทำให้อินดักเตอร์เสียหายเนื่องจากกระแสเกินค่าที่กำหนดเรียกว่ากระแสความอิเล็กตรอนิกส์ ซึ่งเป็นพารามิเตอร์พื้นฐานของอินดักเตอร์
เส้นโค้งความอิเล็กตรอนิกส์ของอินดักเตอร์พลังงานในวงจรเครื่องแปลงเป็นสิ่งสำคัญและควรได้รับความสนใจ เพื่อเข้าใจแนวคิดนี้ คุณสามารถสังเกตเส้นโค้งที่วัดได้จริงของ L กับกระแส DC

เมื่อกระแสเพิ่มขึ้นเกินค่า порогหนึ่ง อินดักแตนซ์จะลดลงอย่างรวดเร็ว—ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความอิเล็กตรอนิกส์ การเพิ่มกระแสต่อไปอาจทำให้อินดักเตอร์ล้มเหลวทั้งหมด
ด้วยลักษณะการอิ่มตัวนี้ เราสามารถเข้าใจได้ว่าทำไมคอนเวอร์เตอร์ทุกตัวถึงกำหนดช่วงการเปลี่ยนแปลงค่าอินดัก턴ซ์ (△L ≤ 20% หรือ 30%) ภายใต้กระแส DC ทางออก และทำไมสเปกของอินดักเตอร์จึงรวมพารามิเตอร์ Isat เนื่องจากความเปลี่ยนแปลงของกระแสริปเพิลไม่ส่งผลกระทบอย่างมากต่อค่าอินดักซ์ จึงต้องการในทุกแอปพลิเคชันที่จะลดกระแสริปเพิลให้มากที่สุดเท่าที่จะทำได้ เนื่องจากมันส่งผลต่อริปเพิลของแรงดันไฟฟ้าทางออก นี่คือเหตุผลที่มีความกังวลอย่างมากเกี่ยวกับระดับการลดลงของอินดักซ์ภายใต้กระแส DC ทางออก ในขณะที่อินดักซ์ภายใต้กระแสริปเพิลมักถูกละเลยในสเปก

การเลือกอินดักเตอร์ที่เหมาะสมสำหรับวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

อินดักเตอร์เป็นส่วนประกอบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในวงจรสวิตชิ่งเพาเวอร์ซัพพลาย เนื่องจากความแตกต่างของเฟสระหว่างกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า ทฤษฎีแล้ว การสูญเสียจะเท่ากับศูนย์ อินดักเตอร์มักใช้เป็นองค์ประกอบสำหรับเก็บพลังงาน โดยมีลักษณะเด่นคือ "ต้านสิ่งที่เข้ามาและรักษาสิ่งที่ออกไป" และมักใช้ร่วมกับคอนเดนเซอร์ในวงจรกรองทั้งทางขาเข้าและขาออก เพื่อทำให้กระแสไฟฟ้าเรียบเนียน
เมื่อพิจารณาถึงองค์ประกอบแม่เหล็ก คอนเดนเซอร์จะเผชิญกับปัญหาเรื่องการอิเล็กโตรแมกเนติกอิเล็กโตรดิฟเฟอเรนเชียลโดยธรรมชาติ บางแอปพลิเคชันอนุญาตให้เกิดการอิเล็กโตรแมกเนติกอิเล็กโตรดิฟเฟอเรนเชียลในตัวเหนี่ยวนำ ในขณะที่บางกรณีอนุญาตให้เกิดขึ้นเมื่อกระแสผ่านค่าหนึ่งๆ และบางกรณีห้ามอย่างเคร่งครัด ซึ่งจำเป็นต้องแยกแยะในวงจรเฉพาะ ปกติแล้วตัวเหนี่ยวนำทำงานใน "เขตเชิงเส้น" โดยค่าเหนี่ยวนำคงที่และไม่เปลี่ยนแปลงตามแรงดันไฟฟ้าหรือกระแสที่ปลายทาง อย่างไรก็ตาม เครื่องจ่ายไฟแบบสลับมีปัญหาที่ไม่ควรมองข้าม: การมีสองพารามิเตอร์แบบกระจาย (หรือพาราไซติก) จากการพันของสายตัวเหนี่ยวนำ พารามิเตอร์แรกคือความต้านทานจากการพันที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ และพารามิเตอร์ที่สองคือความจุแบบกระจายที่เกี่ยวข้องกับกระบวนการพันและการใช้วัสดุ ความจุแบบกระจายมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยที่ความถี่ต่ำ แต่ผลกระทบจะเห็นได้ชัดเจนมากขึ้นเมื่อความถี่สูงขึ้น เมื่อความถี่เกินค่าหนึ่งๆ ตัวเหนี่ยวนำอาจแสดงพฤติกรรมแบบความจุ หากนำความจุแบบกระจายมาวิเคราะห์รวมเป็นแคปซิเตอร์เดี่ยว วงจรเทียบเท่าของตัวเหนี่ยวนำจะแสดงพฤติกรรมแบบความจุเมื่อเกินความถี่หนึ่งๆ

เมื่อวิเคราะห์สถานะการทำงานของอินดักเตอร์ในวงจร ต้องพิจารณาลักษณะดังนี้:
1. เมื่อกระแส I ไหลผ่านอินดักเตอร์ L พลังงานที่เก็บไว้ในอินดักเตอร์คือ: E=0.5 × L× I2(1)
2. ในรอบการสลับ การสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของกระแสในอินดักเตอร์ (ค่าความแปรปรวนของกระแส ripple current peak-to-peak) กับแรงดันไฟฟ้าข้ามอินดักเตอร์คือ:
V=(L × di)/dt(2), สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าขนาดของกระแส ripple มีความเกี่ยวข้องกับค่าของอินดักแทนซ์
3. อินดักเตอร์ยังผ่านกระบวนการชาร์จและปล่อยประจุ กระแสผ่านอินดักเตอร์เป็นสัดส่วนกับปริพันธ์ของแรงดันไฟฟ้า (volt-seconds) ข้ามมัน หากแรงดันไฟฟ้าของอินดักเตอร์เปลี่ยนแปลง อัตราการเปลี่ยนแปลงของกระแส di/dt จะเปลี่ยนแปลงด้วยเช่นกัน: แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าทำให้กระแสเพิ่มขึ้นแบบเส้นตรง ในขณะที่แรงดันไฟฟ้ากลับทำให้มันลดลงแบบเส้นตรง

การเลือกใช้งานอินดักเตอร์สำหรับวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประเภทบัค

เมื่อเลือกอินดักเตอร์สำหรับวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประเภทบัค จำเป็นต้องกำหนดแรงดันขาเข้าสูงสุด แรงดันขาออก ความถี่การสลับของพลังงาน กระแสริปเพิลสูงสุด และค่าดิวตี้ไซคล์ ต่อไปนี้เป็นคำอธิบายเกี่ยวกับการคำนวณค่าอินดักเท้นซ์สำหรับวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประเภทบัค ก่อนอื่นให้สมมติว่าความถี่การสลับคือ 300 kHz ช่วงแรงดันขาเข้าคือ 12 V ± 10% กระแสขาออกคือ 1 A และกระแสริปเพิลสูงสุดคือ 300 mA

แผนภาพวงจรของวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประเภทบัค

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดคือ 13.2V และอัตราส่วนการทำงานที่สอดคล้องกันคือ: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3) โดยที่ Vo คือแรงดันไฟฟ้าขาออกและ Vi คือแรงดันไฟฟ้าขาเข้า เมื่อทรานซิสเตอร์สวิตช์เปิด แรงดันไฟฟ้าข้ามขดลวดคือ: V = Vi - Vo = 8.2 V(4) เมื่อทรานซิสเตอร์สวิตช์ปิด แรงดันไฟฟ้าข้ามขดลวดคือ: V＝-Vo－Vd＝-5.3V(5).dt＝D/F(6).แทนสมการ (2), (3), และ (6) ในสมการ (2):

การเลือกอินดักเตอร์สำหรับวงจรจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งบูสต์

การคำนวณค่าอินดักแตนซ์สำหรับวงจรเพิ่มแรงดันแบบสวิตชิ่ง พลังงาน ยกเว้นสูตรความสัมพันธ์ระหว่างรอบการเปิดปิดกับแรงดันของอินดักเตอร์ที่เปลี่ยนไป กระบวนการอื่น ๆ จะเหมือนกับวิธีการคำนวณของวงจรลดแรงดันแบบสวิตชิ่ง โดยสมมติว่าความถี่ในการสวิตช์อยู่ที่ 300 kHz ช่วงแรงดันขาเข้าอยู่ที่ 5 V ± 10% กระแสออกเท่ากับ 500 mA และประสิทธิภาพเท่ากับ 80% กระแสริปเปิ้ลสูงสุดอยู่ที่ 450 mA และรอบการเปิดปิดที่เกี่ยวข้องคือ: D = 1 - Vi/Vo = 1 - 5.5/12 = 0.542 (7).

แผนผังวงจรวงจรเพิ่มแรงดันแบบสวิตชิ่ง

เมื่อสวิตช์เปิด แรงดันข้ามอินดักเตอร์จะเท่ากับ: V = Vi = 5.5 V (8), เมื่อสวิตช์ปิด แรงดันข้ามอินดักเตอร์จะเท่ากับ: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 V (9), การแทนสูตร 6/7/8 ในสูตรที่ 2 จะได้:

โปรดทราบว่า ต่างจากคอนเวอร์เตอร์แบบ buck คอนเวอร์เตอร์แบบ boost ไม่ได้จ่ายกระแสไฟฟ้าให้กับโหลดอย่างต่อเนื่องจากอินดักเตอร์ เมื่อทรานซิสเตอร์สำหรับการสลับเปิด กระแสของอินดักเตอร์จะไหลผ่านสวิตช์ไปยังพื้น ในขณะที่กระแสโหลดถูกจ่ายโดยคาปาซิเตอร์เอาต์พุต ดังนั้น คาปาซิเตอร์เอาต์พุตต้องเก็บพลังงานเพียงพอที่จะจ่ายโหลดในช่วงเวลานี้ แต่เมื่อสวิตช์ปิด กระแสของอินดักเตอร์ไม่เพียงจ่ายโหลดเท่านั้น แต่ยังชาร์จคาปาซิเตอร์เอาต์พุตอีกด้วย
โดยทั่วไป การเพิ่มค่าความเหนี่ยวนำจะลดแรงดันริปเปิลที่เอาต์พุต แต่ทำให้การตอบสนองแบบไดนามิกของแหล่งจ่ายไฟแย่ลง ดังนั้น ควรมีการเลือกค่าความเหนี่ยวนำที่เหมาะสมตามข้อกำหนดเฉพาะของการใช้งาน ความถี่การสลับที่สูงขึ้นช่วยให้ใช้ค่าความเหนี่ยวนำที่ต่ำลง ซึ่งลดขนาดของอินดักเตอร์และประหยัดพื้นที่บน PCB ส่งผลให้แหล่งจ่ายไฟสลับสมัยใหม่มุ่งไปสู่ความถี่ที่สูงขึ้นเพื่อตอบสนองต่อความต้องการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลง

การวิเคราะห์และการประยุกต์ใช้แหล่งจ่ายไฟแบบสลับ

เกี่ยวกับกฎของเลนซ์: ในวงจรที่ได้รับพลังงานจากกระแสตรง (DC) เนื่องจากความเหนี่ยวนำของตนเองของขดลวด จะมีแรงเคลื่อนไฟฟ้า (EMF) เกิดขึ้นเพื่อต่อต้านการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้า ดังนั้นในช่วงเวลาที่เปิดสวิตช์ กระแสในวงจรจะเท่ากับศูนย์ และแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะตกอยู่ที่ขดลวด กระแสจะค่อยๆ เพิ่มขึ้นเมื่อแรงดันไฟฟ้าที่ขดลวดลดลงจนถึงศูนย์ ซึ่งหมายถึงสิ้นสุดของการตอบสนองชั่วขณะ ในการทำงานของคอนเวอร์เตอร์แบบสลับ ขดลวดไม่ควรเข้าสู่ภาวะ satuption เพื่อให้มั่นใจในการเก็บและถ่ายโอนพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพ ขดลวดที่เข้าสู่ภาวะ satuption จะทำงานเหมือนเส้นทางกระแสตรง (DC) โดยสูญเสียความสามารถในการเก็บพลังงาน ซึ่งทำลายการทำงานของคอนเวอร์เตอร์ เมื่อความถี่การสลับเป็นค่าคงที่ ค่าความเหนี่ยวนำจะต้องมากพอที่จะป้องกันการเข้าสู่ภาวะ satuption ภายใต้กระแสสูงสุด

การกำหนดค่าอินดัก턴ซ์ในแหล่งจ่ายไฟแบบสลับ: ที่ความถี่การสลับต่ำกว่า เนื่องจากช่วงเวลา on/off มีความยาวมากขึ้น จำเป็นต้องใช้ค่าอินดัก턴ซ์ที่สูงขึ้นเพื่อรักษาเอาต์พุตให้ต่อเนื่อง ซึ่งจะทำให้อินดักเตอร์เก็บพลังงานสนามแม่เหล็กได้มากขึ้น นอกจากนี้ ช่วงเวลาการสลับที่ยาวขึ้นจะทำให้การเติมพลังงานเกิดขึ้นน้อยลง ส่งผลให้แรงดันไฟฟ้ากระเพื่อมมีค่าน้อยลง โดยหลักการนี้สามารถอธิบายผ่านสูตรได้ว่า L = (dt/di) * uL โดยที่ D = Vo/Vi (duty cycle), dt = D/F (on-time), F = ความถี่การสลับ, และ di = กระแสกระเพื่อม สำหรับคอนเวอร์เตอร์แบบ buck D = 1 - Vi/Vo; สำหรับคอนเวอร์เตอร์แบบ boost D = Vo/Vi การจัดเรียงใหม่จะได้ว่า L = D * uL / (F * di) เมื่อ F ลดลง L จะต้องเพิ่มขึ้นตามสัดส่วน ในทางกลับกัน การเพิ่ม L ขณะที่คงค่าพารามิเตอร์อื่นๆ ไม่เปลี่ยนแปลงจะลด di (กระแสกระเพื่อม) ที่ความถี่สูงกว่า การเพิ่มอินดัก턴ซ์จะเพิ่มความต้านทานนำสัญญาณ ส่งผลให้เกิดการสูญเสียพลังงานและประสิทธิภาพลดลง โดยทั่วไปแล้ว ด้วยความถี่ที่คงที่ อินดัก턴ซ์ที่ใหญ่ขึ้นจะลดแรงดันกระเพื่อมของเอาต์พุตแต่จะทำให้การตอบสนองแบบไดนามิกแย่ลง (ปรับตัวช้ากว่าเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงโหลด) ดังนั้นควรเลือกค่าอินดัก턴ซ์ที่เหมาะสมตามความต้องการของการใช้งาน เพื่อสมดุลระหว่างการลดแรงดันกระเพื่อมและการตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลง