EN
Індуктор — це загальний пасивний компонент для зберігання енергії в схемах, який виконує ролі, такі як фільтрування, підвищення (boost) та зниження (buck) напруги при проектуванні комутуючих блоків живлення. На початковому етапі проектування інженери не тільки повинні обрати відповідні значення індуктивності, але й враховувати струм, який може витримувати індуктор, прямий опор (DCR) обмотки, механічні розміри, втрати тощо. Якщо вони недостатньо знайомі з функціями індукторів, вони часто будуть у пасивному стані під час проектування і витратять багато часу.
Розуміння функцій індукторів
Індуктор — це "L" у LC-фільтрі на виході комутуючого блоку живлення. У режимі buck перетворення один кінець індуктора під'єднаний до вихідного DC-напруги, тоді як другий кінець комутується між вхідною напругою та GND за частотою комутації.
У стані 1 індуктор під'єднаний до вхідної напруги через MOSFET. У стані 2 індуктор під'єднаний до GND.
Застосування цього типу контролера дає можливість двох способів заземлення індуктора: через діод або через MOSFET. Якщо використовується перший спосіб, конвертер називається асинхронним режимом. У другому випадку конвертер вважається синхронним режимом.
У стані 1 один кінець індуктора під'єднаний до входової напруги, а інший — до вихідної напруги. Для понижального конвертера входова напруга має бути вище вихідної, тому через індуктор утворюється прямий перепад напруги.
У стані 2 кінець індуктора, який раніше був під'єднаний до входової напруги, тепер під'єднаний до маси. Для понижального конвертера вихідна напруга обов'язково є додатним полюсом, тому через індуктор утворюється від'ємний перепад напруги.
Формула розрахунку напруги індуктора
V=L(dI/dt). Оскільки поточний струм через індуктор збільшується, коли напруга на індукторі додатня (Стан 1) і зменшується, коли напруга від'ємна (Стан 2), графік струму індуктора показаний на рисунку 2:
З наведеного вище рисунку видно, що максимальний струм через індуктор дорівнює постійному струму плюс половина пікової амплітуди струму переключення. Вищезазначений рисунок також показує пульсаційний струм. За формулою, зазначеною вище, піковий струм можна обчислити наступним чином: де ton - час у Стані 1, T - період переключення, а DC - коефіцієнт заповнення Стану 1.
Синхронна конвертерна схема
Асинхронна конвертерна схема
Rs: Загальний опір діоду та опору чутливості струму разом з опором намотки індуктора. Vf: Прямий випадковий напружений напір Шотткі. R: Загальний опір у шляху провідності, який обчислюється як R=Rs+Rm, де є опір увімкненого стану MOSFET.
Насичення ядра індуктора
На основі обчислених пікових значень струму через індуктор, ми знаємо, що збільшення струму призводить до зменшення індукції. Це визначається фізичними властивостями матеріалу ядра. Ступінь зниження індукції є критичною: якщо зниження буде занадто сильним, перетворювач не буде працювати правильно. Струм, при якому індуктор виходить з ладу через надмірний струм, називається струмом насичення, це базовий параметр індуктора.
Крива насичення силових індукторів у колах перетворювачів є важливою та заслуговує уваги. Щоб зрозуміти цей концепт, можна спостерігати за дійсно виміряною кривою L відносно струму DC.
Коли струм зростає за певним порогом, індукція різко зменшується - явище, яке називається насиченням. Подальше збільшення струму може призвести до повного виходу індуктора з ладу.
З цією характеристикою насыщення ми можемо зрозуміти, чому всі конвертори вказують діапазон зміни індуктивності (△L ≤ 20% або 30%) під потоком прямого струму, і чому специфікація індуктора включає параметр Isat. Оскільки зміна пульсаційного струму не суттєво впливає на індуктивність, у всіх застосунках бажано мінімізувати пульсаційний струм якомога більше, оскільки він впливає на пульсації вихідного напругу. Саме тому завжди є велика увага до ступеня зменшення індуктивності під потоком прямого струму, тоді як індуктивність під пульсаційним струмом часто ігнорується в специфікаціях.
Вибір відповідних індукторів для перетворювачів змінного струму
Індуктори є поширеними компонентами у перетворювачах напруги з вимикальним регулюванням. Завдяки фазовій розниці між струмом та напругою, теоретично, втрата дорівнює нулю. Індуктори часто використовуються як елементи зберігання енергії, маючи характеристику "протистояти надходящому та зберігати вихідне", і їх часто використовують разом з конденсаторами у вхідних та вихідних фільтрних колах для вирівнювання струму.
Як магнітні компоненти, індуктори по суті стикаються з проблемою магнітної насиченості. Деякі застосування дозволяють насичення індуктора, деякі дозволяють насичення починаючи з певного значення току, в той час як інші строго забороняють його, вимагаючи диференціації в конкретних схемах. У більшості випадків індуктори працюють у "лінійній області", де значення індуктивності залишається постійним і не змінюється з термінальним напругою або струмом. Однак, перемикальні джерела живлення мають неперевершену проблему: індукторні обмотки вводять два розподілених (або паразитичних) параметри. Одним з них є неминуче опору викручування, а другим є розподілена відхильна емкость, пов'язана з процесом викручення та матеріалами. Похибна емкость має мінімальний вплив на низьких частотах, але її ефект стає все більш очевидним, коли частота зростає. Коли частота перевищує певне значення, індуктор може виявляти емкості характеристики. Якщо відхилена емкость "згусткована" в один конденсатор, еквівалентна схема індуктора показує його емкостну поведінку за певною частотою.
При аналізі операційного стану індуктора у схемі необхідно врахувати наступні характеристики:
1. Коли потік I тече через індуктор L, енергія, зберігається у індукторі: E=0.5 × L× I2(1)
2. У період комутації, взаємозв'язок між зміною струму індуктора (піково-піковим значенням рипу струму) та напругою на індукторі є:
V=(L × di)/dt(2), Це показує, що величина рипу струму пов'язана зі значенням індуктивності.
3. Індуктори також піддаються процесам зарядки та розрядки. Потік через індуктор пропорційний інтегралу від напруги (вольт-секунди) на ньому. Доки напруга на індукторі змінюється, швидкість зміни струму di/dt також буде змінюватися: пряма напруга призводить до лінійного зростання струму, а обернена напруга - до його лінійного спадання.
Вибір індукторів для імпульсних блоків живлення типу Buck
При виборі індуктора для імпульсного блоку живлення типу Buck необхідно визначити максимальне входове напругу, вихідне напругу, частоту переключення потужності, максимальний пульсаційний струм та коефіцієнт заповнення. Наступне описує розрахунок значення індуктивності для імпульсного блоку живлення типу Buck. Спочатку припустимо, що частота переключення становить 300 kHz, діапазон входового напругу - 12 В ± 10%, вихідний струм - 1 А, а максимальний пульсаційний струм - 300 мА.
Схема імпульсного блоку живлення типу Buck
Максимальне входове напруга становить 13.2В, а відповідний коефіцієнт заповнення: D＝Vo/Vi＝5/13.2＝0.379(3), де Vo - це вихідне напруга, а Vi - це входова напруга. Коли транзистор перемикача увімкнений, напруга на індукторі становить: V = Vi - Vo = 8.2 В(4). Коли транзистор перемикача вимкнений, напруга на індукторі становить: V＝-Vo－Vd＝-5.3В(5). dt＝D/F(6). Підставляючи рівняння (2), (3) і (6) у рівняння (2):
Вибір індукторів для збільшувальних перетворювачів змінного струму
Обчислення значення індуктивності для збільшувального перетворювача напруги за допомогою комутації, крім того, що формула відношення між коефіцієнтом заповнення та напругою індуктора змінюється, інші процеси такі ж, як і метод обчислення для зменшувального перетворювача напруги. Припускаючи, що частота комутації становить 300 кГц, діапазон входної напруги дорівнює 5 В ± 10%, вихідний струм становить 500 мА, а ефективність складає 80%, максимальний пульсаційний струм становить 450 мА, а відповідний коефіцієнт заповнення: D=1-Vi/Vo=1-5.5/12=0.542(7).
Схема збільшувального перетворювача напруги за допомогою комутації
Коли ключ увімкнено, напруга на індукторі становить: V = Vi = 5.5 В (8), коли ключ вимкнено, напруга на індукторі становить: V = Vo + Vd - Vi = 6.8 В (9), підставляючи формули 6/7/8 до формули 2, отримуємо:
Зверніть увагу, що, в іншому випадку від ступеневих конвертерів, збільшувальні конвертери не постійно надають потік завантаження з індуктора. Коли транзистор переключника проводить ток, потік індуктора тече через переключник до маси, тоді як потік завантаження забезпечується вихідним конденсатором. Отже, вихідний конденсатор повинен зберігати достатню енергію для забезпечення завантаження протягом цього періоду. Проте, коли переключник вимкнений, потік індуктора не лише забезпечує завантаження, але й заряджуює вихідний конденсатор.
Зазвичай, збільшення значення індуктивності зменшує пульсації вихідного сигналу, але гірше впливає на динамічну відповідь блоку живлення. Тому оптимальна індуктивність повинна вибиратися на основі конкретних вимог застосування. Вищі частоти переключення дозволяють використовувати менші значення індуктивності, що зменшує розміри індуктора та економить місце на ПЛІ. Як наслідок, сучасні комутаційні блоки живлення тяжать до вищих частот для задовolenня вимог на менші електронні продукти.
Аналіз та застосування переключних блоків живлення
Щодо закону Ленца: У колі, що запитується від ДC, через самiндукування спіралі виникає електромотивна сила (ЕМС), яка протидіяє збільшенню струму. Отже, у момент увімкнення струм у колі фактично дорівнює нулю, а всього напругу можна виміряти на спіралі. Потім струм поступово зростає, поки напруга на спіралі не зменшиться до нуля, що означає закінчення перехідного стану. У роботі переключного конвертора індуктор не повинен входжувати в нащаднення, щоб забезпечити ефективне зберігання та передачу енергії. Насичений індуктор діє як пряма DC шлях, втрачаючи здатність зберігати енергію, що погартає функціональність конвертора. Коли частота переключень фіксована, значення індуктивності має бути достатньо великою, щоб уникнути нащаднення при пікових струмах.
Визначення індуктивності в переключних блоках живлення: При нижчих частотах переключення, оскільки тривалості станів 'ввімкнено'/'вимкнено' довші, потрібна більша індуктивність для підтримання неперервного виходу. Це дозволяє індуктору зберігати більше енергії магнітного поля. Крім того, більш довгі періоди переключення призводять до менш частого поповнення енергії, що веде до відносно менших пульсацій струму. Цей принцип можна пояснити формулою: L = (dt/di) * uL, де D = Vo/Vi (цикл працездатності), dt = D/F (час 'ввімкнено'), F = частота переключення, а di = пульсація струму. Для понижувальних конвертерів, D = 1 - Vi/Vo; для підвищувальних конвертерів, D = Vo/Vi. Перегруповання дає: L = D * uL / (F * di). Коли F зменшується, L має зростати пропорційно. Навпаки, збільшення L, залишаючи інші параметри сталою, зменшує di (пульсацію струму). При вищих частотах, збільшення індуктивності підвищує імпеданс, що призводить до збільшення втрат потужності та зниження ефективності. Зазвичай, при фіксованій частоті, більша L зменшує вихідні пульсації, але гіршує динамічну відповідь (повільніше пристосовування до змін навантаження). Тому оптимальна індуктивність повинна вибиратися на основі вимог застосування для балансу між зменшенням пульсацій та перехідною характеристикою.