Vai trò của cuộn dây dẫn trong SMPS

Yếu tố quan trọng nhất của bộ chuyển đổi chế độ chuyển mạch hoặc SMPS là cuộn cảm.

Năng lượng được lưu trữ dưới dạng từ trường trong vật liệu lõi của cuộn cảm trong khoảng thời gian BẬT ngắn (t_trên) được chuyển qua phần tử chuyển mạch được kết nối như MOSFET hoặc BJT.

Cách hoạt động của cuộn cảm trong SMPS

Trong khoảng thời gian BẬT này, điện áp V, được đặt trên cuộn cảm, L, và dòng điện qua cuộn cảm thay đổi theo thời gian.

Thay đổi hiện tại này bị 'hạn chế' bởi điện cảm, do đó chúng tôi thấy thuật ngữ liên quan cuộn cảm thường được sử dụng làm tên thay thế cho cuộn cảm SMPS, được biểu diễn toán học thông qua công thức:

di / dt = V / L

Khi tắt công tắc, năng lượng được lưu trữ trong cuộn cảm được giải phóng hoặc 'bật trở lại'.

Từ trường phát triển trên các cuộn dây sẽ sụp đổ do không có dòng điện hoặc điện áp để giữ trường. Trường đóng mở tại điểm này 'cắt' mạnh qua các cuộn dây, tạo ra một điện áp ngược có cực tính ngược lại với điện áp chuyển mạch ban đầu được áp dụng.

Điện áp này làm cho một dòng điện chuyển động cùng chiều. Do đó, sự trao đổi năng lượng xảy ra giữa đầu vào và đầu ra của cuộn cảm.

Việc triển khai cuộn cảm theo cách đã giải thích ở trên có thể được coi là ứng dụng chính của định luật Lenz. Mặt khác, lúc đầu có vẻ như không có năng lượng nào có thể được lưu trữ 'vô hạn' trong một cuộn cảm giống như tụ điện.

Hãy tưởng tượng một cuộn cảm được chế tạo bằng dây siêu dẫn. Một khi được 'sạc' bằng một điện thế chuyển đổi, năng lượng dự trữ có thể được giữ mãi mãi dưới dạng từ trường.

Tuy nhiên, nhanh chóng trích xuất năng lượng này có thể là một vấn đề hoàn toàn khác. Bao nhiêu năng lượng có thể được lưu trữ trong một cuộn cảm bị giới hạn bởi mật độ thông lượng bão hòa, Bmax, của vật liệu lõi của cuộn cảm.

Vật liệu này thường là một ferit. Thời điểm một cuộn cảm chạy vào trạng thái bão hòa, vật liệu lõi sẽ mất khả năng bị từ hóa nữa.

Tất cả các lưỡng cực từ bên trong vật liệu sẽ thẳng hàng, do đó không còn năng lượng nào có thể tích tụ thành từ trường bên trong nó. Mật độ thông lượng bão hòa của vật liệu thường bị ảnh hưởng với những thay đổi trong nhiệt độ lõi, có thể giảm 50% ở 100 ° C so với giá trị ban đầu của nó ở 25 ° C

Nói một cách chính xác, nếu lõi cuộn cảm SMPS không được ngăn bão hòa, dòng điện chạy qua có xu hướng trở nên không kiểm soát được do hiệu ứng cảm ứng.

Điều này bây giờ chỉ trở nên hạn chế với điện trở của các cuộn dây và lượng dòng điện mà nguồn cung cấp có thể cung cấp. Tình hình thường được kiểm soát bởi thời gian tối đa của phần tử chuyển mạch được giới hạn thích hợp để ngăn chặn sự bão hòa của lõi.

Tính toán điện áp cuộn cảm và dòng điện

Do đó, để kiểm soát và tối ưu hóa điểm bão hòa, dòng điện và điện áp trên cuộn cảm được tính toán thích hợp trong tất cả các thiết kế SMPS. Chính sự thay đổi hiện tại theo thời gian trở thành yếu tố then chốt trong thiết kế SMPS. Điều này được đưa ra bởi:

i = (Vin / L) t_trên

Công thức trên coi điện trở bằng không mắc nối tiếp với cuộn cảm. Tuy nhiên, trên thực tế, điện trở liên quan đến phần tử chuyển mạch, cuộn cảm, cũng như rãnh PCB sẽ góp phần hạn chế dòng điện tối đa qua cuộn cảm.

Giả sử mức kháng cự này là tổng cộng 1 ohm, điều này có vẻ khá hợp lý.

Do đó Dòng điện qua cuộn cảm bây giờ có thể được hiểu là:

i = (V_trong/ R) x (1 - e^{-t_trênR / L})

Đồ thị bão hòa lõi

Tham khảo các đồ thị bên dưới, đồ thị đầu tiên cho thấy sự khác biệt về dòng điện qua cuộn cảm 10 µH không có điện trở nối tiếp và khi 1 Ohm được mắc nối tiếp.

Điện áp được sử dụng là 10 V. Trong trường hợp không có bất kỳ điện trở 'giới hạn' nào, có thể làm cho dòng điện tăng nhanh và liên tục trong một khung thời gian vô hạn.

Rõ ràng, điều này có thể không khả thi, tuy nhiên, báo cáo nhấn mạnh rằng dòng điện trong cuộn cảm có thể nhanh chóng đạt được cường độ đáng kể và tiềm ẩn nguy hiểm. Công thức này chỉ hợp lệ miễn là cuộn cảm vẫn ở dưới điểm bão hòa.

Ngay sau khi lõi cuộn cảm đạt đến bão hòa, nồng độ cảm ứng không thể tối ưu hóa sự gia tăng dòng điện. Do đó dòng điện tăng rất nhanh, đơn giản là vượt ra ngoài phạm vi dự đoán của phương trình. Trong quá trình bão hòa, dòng điện bị hạn chế ở một giá trị thường được thiết lập bởi điện trở nối tiếp và điện áp đặt vào.

Trong trường hợp cuộn cảm nhỏ hơn, sự gia tăng dòng điện qua chúng thực sự rất nhanh, nhưng chúng có thể giữ lại mức năng lượng đáng kể trong một khung thời gian quy định. Ngược lại, các giá trị cuộn cảm lớn hơn có thể cho thấy dòng điện tăng chậm qua, nhưng chúng không thể duy trì mức năng lượng cao trong cùng một thời gian quy định.

Hiệu ứng này có thể được chứng kiến ​​trong đồ thị thứ hai và thứ ba, đồ thị trước đây thể hiện sự gia tăng dòng điện trong các cuộn cảm 10 µH, 100 µH và 1 mH khi nguồn cung cấp 10V được sử dụng.

Đồ thị 3 cho biết năng lượng dự trữ theo thời gian đối với cuộn cảm có cùng giá trị.

Trong đồ thị thứ tư, chúng ta có thể thấy dòng điện tăng qua các cuộn cảm giống nhau, bằng cách đặt một điện trở 10 V mặc dù bây giờ mắc nối tiếp một điện trở 1 Ohm mắc nối tiếp với cuộn cảm.

Đồ thị thứ năm biểu diễn năng lượng dự trữ cho các cuộn cảm giống nhau.

Ở đây, rõ ràng là dòng điện này qua cuộn cảm 10 µH tăng nhanh về phía giá trị cực đại 10 A trong khoảng 50 ms. Tuy nhiên, do điện trở 1 ohm nên nó chỉ có thể giữ lại gần 500 mili.

Phải nói rằng, dòng điện qua cuộn cảm 100 µH và 1 mH tăng lên và năng lượng tích trữ có xu hướng không bị ảnh hưởng một cách hợp lý với điện trở nối tiếp trong cùng một khoảng thời gian.