Le rôle de la bobine d'inductance dans SMPS

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L'élément le plus crucial d'un convertisseur à découpage ou d'un SMPS est l'inductance.

L'énergie est stockée sous la forme d'un champ magnétique dans le matériau du noyau de l'inducteur pendant la brève période de marche (tsur) commuté via l'élément de commutation connecté tel qu'un MOSFET ou un BJT.



Comment fonctionne l'inductance dans SMPS

Pendant cette période d'activation, la tension V est appliquée aux bornes de l'inducteur, L, et le courant à travers l'inducteur change avec le temps.

Ce changement de courant est `` limité '' par l'inductance, c'est pourquoi nous trouvons le terme connexe inductance normalement utilisé comme un nom alternatif pour un inducteur SMPS, qui est représenté mathématiquement par la formule:



di / dt = V / L

Lorsque l'interrupteur est éteint, l'énergie stockée dans l'inducteur est libérée ou «renvoyée».

Le champ magnétique développé à travers les enroulements s'effondre en raison de l'absence de courant ou de tension pour maintenir le champ. Le champ d'effondrement à ce stade «coupe» brusquement les enroulements, ce qui crée une tension inverse ayant une polarité opposée à la tension de commutation appliquée à l'origine.

Cette tension fait bouger un courant dans le même sens. Un échange d'énergie se produit ainsi entre l'entrée et la sortie de l'enroulement inducteur.

La mise en œuvre de l'inducteur de la manière expliquée ci-dessus peut être considérée comme une application principale de la loi de Lenz. D'un autre côté, au début, il semble qu'aucune énergie ne puisse être stockée «à l'infini» dans un inducteur, tout comme un condensateur.

Imaginez un inducteur construit à l'aide d'un fil supraconducteur. Une fois «chargée» d'un potentiel de commutation, l'énergie stockée pourrait éventuellement être conservée pour toujours sous la forme d'un champ magnétique.

Cependant, extraire rapidement cette énergie peut être un problème complètement différent. La quantité d'énergie qui pourrait être stockée dans un inducteur est limitée par la densité de flux de saturation, Bmax, du matériau du noyau de l'inducteur.

Ce matériau est généralement une ferrite. Au moment où un inducteur atteint une saturation, le matériau du noyau perd sa capacité à se magnétiser davantage.

Tous les dipôles magnétiques à l'intérieur du matériau s'alignent, de sorte qu'aucune énergie ne peut plus s'accumuler en tant que champ magnétique à l'intérieur. La densité de flux de saturation du matériau est généralement affectée par les changements de la température à cœur, qui peut chuter de 50% à 100 ° C par rapport à sa valeur d'origine à 25 ° C

Pour être précis, si le noyau de l'inductance SMPS n'est pas empêché de saturer, le courant traversant a tendance à devenir incontrôlé en raison de l'effet inductif.

Cela devient maintenant uniquement limité avec la résistance des enroulements et la quantité de courant que l'alimentation de la source est capable de fournir. La situation est généralement contrôlée par le temps de marche maximum de l'élément de commutation qui est limité de manière appropriée pour éviter la saturation du noyau.

Calcul de la tension et du courant de l'inductance

Pour contrôler et optimiser le point de saturation, le courant et la tension aux bornes de l'inducteur sont ainsi calculés de manière appropriée dans toutes les conceptions SMPS. C'est le changement actuel avec le temps qui devient le facteur clé dans une conception SMPS. Ceci est donné par:

i = (Vin / L) tsur

La formule ci-dessus considère une résistance nulle en série avec l'inducteur. Cependant, en pratique, la résistance associée à l'élément de commutation, l'inductance, ainsi que la piste PCB contribueront toutes à limiter le courant maximum via l'inductance.

Supposons qu'une résistance soit au total de 1 ohm, ce qui semble tout à fait raisonnable.

Ainsi, le courant traversant l'inducteur peut maintenant être interprété comme:

i = (Vdans/ R) x (1 - e-tsurR / L)

Graphiques de saturation de base

En se référant aux graphiques ci-dessous, le premier graphique montre la différence de courant à travers une inductance de 10 µH sans résistance série, et quand 1 Ohm est inséré en série.

La tension utilisée est de 10 V. Dans le cas où il n'y a pas de résistance de `` limitation '' en série, peut provoquer une surtension rapide et continue du courant sur une période infinie.

De toute évidence, cela n'est peut-être pas faisable, mais le rapport souligne que le courant dans un inducteur pourrait rapidement atteindre des magnitudes substantielles et potentiellement dangereuses. Cette formule n'est valable que tant que l'inducteur reste en dessous du point de saturation.

Dès que le noyau inductif atteint la saturation, la concentration inductive est incapable d'optimiser la montée en courant. Par conséquent, le courant monte très rapidement, ce qui est simplement au-delà de la plage de prédiction de l'équation. Pendant la saturation, le courant est limité à une valeur normalement établie par la résistance série et la tension appliquée.

Dans le cas d'inducteurs plus petits, les augmentations de courant à travers eux sont très rapides, mais ils peuvent conserver des niveaux d'énergie importants dans un délai imparti. Au contraire, des valeurs d'inductance plus élevées peuvent montrer une augmentation lente du courant, mais celles-ci sont incapables de conserver des niveaux d'énergie élevés dans le même temps stipulé.

Cet effet peut être observé dans les deuxième et troisième graphiques, le premier montrant une augmentation du courant dans les inducteurs de 10 µH, 100 µH et 1 mH lorsqu'une alimentation de 10 V est utilisée.

Le graphique 3 indique l'énergie stockée dans le temps pour les inducteurs de mêmes valeurs.

Dans le quatrième graphique, nous pouvons voir le courant monter à travers les mêmes inducteurs, en appliquant un 10 V bien que maintenant une résistance série de 1 Ohm soit insérée en série avec l'inductance.

Le cinquième graphique montre l'énergie stockée pour les mêmes inducteurs.

Ici, il est évident que ce courant à travers l'inductance de 10 µH monte rapidement vers la valeur maximale de 10 A en environ 50 ms. Cependant, grâce à une résistance de 1 ohm, il ne peut retenir que près de 500 millijoules.

Cela dit, le courant traversant les inducteurs de 100 µH et 1 mH augmente et l'énergie stockée a tendance à ne pas être affectée raisonnablement par la résistance série pendant la même durée.




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