บทบาทของขดลวดเหนี่ยวนำใน SMPS

องค์ประกอบที่สำคัญที่สุดของตัวแปลงโหมดสวิทช์หรือ SMPS คือตัวเหนี่ยวนำ

พลังงานจะถูกเก็บไว้ในรูปของสนามแม่เหล็กในวัสดุหลักของตัวเหนี่ยวนำในช่วงเวลา ON สั้น ๆ (t_บน) เปลี่ยนผ่านองค์ประกอบสวิตช์ที่เชื่อมต่อเช่น MOSFET หรือ BJT

ตัวเหนี่ยวนำทำงานอย่างไรใน SMPS

ในช่วงแรงดันไฟฟ้าช่วง ON นี้จะใช้ V กับตัวเหนี่ยวนำ L และกระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำจะเปลี่ยนไปตามเวลา

การเปลี่ยนแปลงปัจจุบันนี้ถูก 'จำกัด ' โดยการเหนี่ยวนำดังนั้นเราจึงพบคำที่เกี่ยวข้องโดยปกติจะใช้เป็นชื่อทางเลือกสำหรับตัวเหนี่ยวนำ SMPS ซึ่งแสดงทางคณิตศาสตร์ผ่านสูตร:

ดิ / dt = V / L

เมื่อปิดสวิตช์พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำจะถูกปล่อยออกมาหรือ 'เตะกลับ'

สนามแม่เหล็กที่พัฒนาขึ้นในขดลวดที่ยุบตัวเนื่องจากไม่มีการไหลของกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่จะยึดสนาม สนามที่ยุบ ณ จุดนี้ 'ตัด' อย่างรวดเร็วผ่านขดลวดซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าย้อนกลับที่มีขั้วตรงข้ามกับแรงดันไฟฟ้าสลับที่ใช้เดิม

แรงดันไฟฟ้านี้ทำให้กระแสเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกัน ดังนั้นการแลกเปลี่ยนพลังงานจึงเกิดขึ้นระหว่างอินพุตและเอาต์พุตของขดลวดตัวเหนี่ยวนำ

การใช้ตัวเหนี่ยวนำในลักษณะที่อธิบายข้างต้นสามารถเห็นได้ว่าเป็นการประยุกต์ใช้กฎหมายของ Lenz เป็นหลัก ในทางกลับกันในตอนแรกดูเหมือนว่าไม่มีพลังงานใดที่สามารถเก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำได้อย่างไม่มีที่สิ้นสุดเช่นเดียวกับตัวเก็บประจุ

ลองนึกภาพตัวเหนี่ยวนำที่สร้างขึ้นโดยใช้ลวดตัวนำยิ่งยวด เมื่อ 'ชาร์จ' ด้วยศักย์สวิตชิ่งพลังงานที่เก็บไว้อาจถูกกักเก็บไว้ตลอดไปในรูปแบบของสนามแม่เหล็ก

อย่างไรก็ตามการดึงพลังงานออกมาอย่างรวดเร็วอาจเป็นปัญหาที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ปริมาณพลังงานที่สามารถซ่อนอยู่ภายในตัวเหนี่ยวนำถูก จำกัด โดยความหนาแน่นของฟลักซ์อิ่มตัว Bmax ของวัสดุหลักของตัวเหนี่ยวนำ

สารนี้มักเป็นเฟอร์ไรต์ ในขณะที่ตัวเหนี่ยวนำวิ่งเข้าสู่ความอิ่มตัววัสดุหลักจะสูญเสียความสามารถในการดึงดูดแม่เหล็กต่อไป

ไดโพลแม่เหล็กทั้งหมดภายในวัสดุได้รับการจัดแนวดังนั้นจึงไม่มีพลังงานที่จะสะสมเป็นสนามแม่เหล็กภายในได้อีกต่อไป โดยทั่วไปความหนาแน่นของฟลักซ์ความอิ่มตัวของวัสดุจะได้รับผลกระทบจากการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแกนกลางซึ่งอาจลดลง 50% ใน 100 ° C จากค่าเดิมที่ 25 ° C

เพื่อความแม่นยำหากแกนตัวเหนี่ยวนำ SMPS ไม่ได้รับการป้องกันจากการอิ่มตัวกระแสไฟฟ้าผ่านมีแนวโน้มที่จะไม่สามารถควบคุมได้เนื่องจากผลของอุปนัย

ตอนนี้จะถูก จำกัด ด้วยความต้านทานของขดลวดและปริมาณกระแสไฟฟ้าที่แหล่งจ่ายสามารถให้ได้ โดยทั่วไปสถานการณ์จะถูกควบคุมโดยเวลาสูงสุดขององค์ประกอบสวิตชิ่งซึ่ง จำกัด อย่างเหมาะสมเพื่อป้องกันความอิ่มตัวของแกน

การคำนวณแรงดันและกระแสของตัวเหนี่ยวนำ

เพื่อควบคุมและปรับจุดอิ่มตัวให้เหมาะสมกระแสและแรงดันไฟฟ้าทั่วทั้งตัวเหนี่ยวนำจึงถูกคำนวณอย่างเหมาะสมในการออกแบบ SMPS ทั้งหมด เป็นการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบันตามเวลาที่กลายเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบ SMPS ให้โดย:

ผม = (Vin / L) t_บน

สูตรข้างต้นพิจารณาความต้านทานเป็นศูนย์ในอนุกรมกับตัวเหนี่ยวนำ อย่างไรก็ตามในทางปฏิบัติความต้านทานที่เกี่ยวข้องกับองค์ประกอบสวิตชิ่งตัวเหนี่ยวนำและแทร็ก PCB ทั้งหมดจะมีส่วนช่วย จำกัด กระแสไฟฟ้าสูงสุดผ่านตัวเหนี่ยวนำ

สมมติว่าความต้านทานนี้รวมเป็น 1 โอห์มซึ่งดูสมเหตุสมผล

ดังนั้นปัจจุบันผ่านตัวเหนี่ยวนำสามารถตีความได้ว่า:

ผม = (V._ใน/ R) x (1 - จ^{-t_บนR / L})

กราฟความอิ่มตัวของแกนกลาง

การอ้างอิงกราฟที่แสดงด้านล่างกราฟแรกแสดงความแตกต่างของกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ 10 µH ที่ไม่มีความต้านทานต่ออนุกรมและเมื่อใส่ 1 โอห์มในอนุกรม

แรงดันไฟฟ้าที่ใช้คือ 10 V ในกรณีที่ไม่มีความต้านทานแบบ 'จำกัด ' แบบอนุกรมใด ๆ อาจทำให้กระแสไฟกระชากอย่างรวดเร็วและต่อเนื่องในกรอบเวลาที่ไม่สิ้นสุด

เห็นได้ชัดว่าสิ่งนี้อาจไม่เป็นไปได้อย่างไรก็ตามรายงานเน้นว่ากระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำสามารถบรรลุขนาดที่สำคัญและอาจเป็นอันตรายได้อย่างรวดเร็ว สูตรนี้ใช้ได้ตราบเท่าที่ตัวเหนี่ยวนำยังคงอยู่ต่ำกว่าจุดอิ่มตัว

ทันทีที่แกนตัวเหนี่ยวนำถึงจุดอิ่มตัวความเข้มข้นของอุปนัยจะไม่สามารถปรับการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าให้เหมาะสมได้ ดังนั้นกระแสจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วซึ่งอยู่นอกเหนือช่วงการทำนายของสมการ ในระหว่างการอิ่มตัวกระแสจะถูก จำกัด ตามค่าที่กำหนดโดยความต้านทานอนุกรมและแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

ในกรณีของตัวเหนี่ยวนำที่มีขนาดเล็กการเพิ่มขึ้นของกระแสผ่านพวกมันนั้นเร็วมาก แต่ก็สามารถรักษาระดับพลังงานไว้ได้อย่างมีนัยสำคัญภายในระยะเวลาที่กำหนด ในทางตรงกันข้ามค่าตัวเหนี่ยวนำที่ใหญ่กว่าอาจแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าที่ซบเซา แต่ไม่สามารถกักเก็บพลังงานระดับสูงไว้ได้ภายในเวลาที่กำหนด

ผลกระทบนี้สามารถเห็นได้ในกราฟที่สองและสามซึ่งในอดีตแสดงให้เห็นถึงการเพิ่มขึ้นของกระแสไฟฟ้าในตัวเหนี่ยวนำ 10 µH, 100 µH และ 1 mH เมื่อใช้แหล่งจ่าย 10V

กราฟ 3 แสดงพลังงานที่เก็บไว้ในช่วงเวลาหนึ่งสำหรับตัวเหนี่ยวนำที่มีค่าเดียวกัน

ในกราฟที่สี่เราสามารถเห็นการเพิ่มขึ้นของกระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำเดียวกันโดยใช้ 10 V แม้ว่าตอนนี้ความต้านทานแบบอนุกรมของ 1 โอห์มจะถูกแทรกในอนุกรมกับตัวเหนี่ยวนำ

กราฟที่ห้าแสดงพลังงานที่เก็บไว้สำหรับตัวเหนี่ยวนำที่เหมือนกัน

ที่นี่เห็นได้ชัดว่ากระแสผ่านตัวเหนี่ยวนำ 10 µH พุ่งขึ้นอย่างรวดเร็วไปยังค่าสูงสุด 10 A ในเวลาประมาณ 50 มิลลิวินาที อย่างไรก็ตามจากผลของตัวต้านทาน 1 โอห์มมันสามารถรักษาได้ใกล้เคียงกับ 500 มิลลิจูลเท่านั้น

ต้องบอกว่ากระแสไฟฟ้าผ่านตัวเหนี่ยวนำ 100 µH และ 1 mH สูงขึ้นและพลังงานที่เก็บไว้มักจะไม่ได้รับผลกระทบอย่างมีเหตุผลกับความต้านทานต่ออนุกรมในช่วงเวลาเดียวกัน