SMPS에서 인덕터 코일의 역할

스위치 모드 컨버터 또는 SMPS의 가장 중요한 요소는 인덕터입니다.

에너지는 짧은 ON 기간 (t) 동안 인덕터의 코어 재료에 자기장의 형태로 저장됩니다._{의 위에}) MOSFET 또는 BJT와 같은 연결된 스위칭 요소를 통해 전환됩니다.

인덕터가 SMPS에서 작동하는 방식

이 ON 기간 동안 전압 V가 인덕터 L에 적용되고 인덕터를 통과하는 전류는 시간에 따라 변합니다.

이 전류 변화는 인덕턴스에 의해 '제한'되므로 일반적으로 다음 공식을 통해 수학적으로 표현되는 SMPS 인덕터의 대체 이름으로 사용되는 관련 용어 초크를 찾습니다.

di / dt = V / L

스위치가 꺼지면 인덕터에 저장된 에너지가 방출되거나 '반동'됩니다.

권선을 가로 지르는 자기장은 전류 흐름이나 자기장을 유지하는 전압이 없기 때문에 붕괴됩니다. 이 시점에서 붕괴하는 필드는 권선을 급격하게 '절단'하여 원래 적용된 스위칭 전압과 반대 극성을 갖는 역 전압을 생성합니다.

이 전압은 전류를 같은 방향으로 움직이게합니다. 따라서 인덕터 권선의 입력과 출력간에 에너지 교환이 발생합니다.

위에서 설명한 방식으로 인덕터를 구현하는 것은 Lenz의 법칙의 주요 적용으로 목격 될 수 있습니다. 반면에 처음에는 커패시터처럼 인덕터 내에 '무한'에너지를 저장할 수없는 것 같습니다.

초전도 와이어를 사용하여 만든 인덕터를 상상해보십시오. 스위칭 전위로 '충전'되면 저장된 에너지는 자기장의 형태로 영원히 유지 될 수 있습니다.

그러나이 에너지를 빠르게 추출하는 것은 완전히 다른 문제가 될 수 있습니다. 인덕터 내에 숨겨 질 수있는 에너지의 양은 인덕터 코어 재료의 포화 자속 밀도 (Bmax)에 의해 제한됩니다.

이 재료는 일반적으로 페라이트입니다. 인덕터가 포화되는 순간 코어 재료는 더 이상 자화되는 능력을 상실합니다.

재료 내부의 모든 자기 쌍극자가 정렬되어 더 이상 에너지가 내부에 자기장으로 축적 될 수 없습니다. 재료의 포화 자속 밀도는 일반적으로 코어 온도의 변화에 ​​영향을받으며, 이는 25 ° C에서 원래 값보다 100 ° C에서 50 % 떨어질 수 있습니다.

정확히 말하면 SMPS 인덕터 코어가 포화되는 것을 방지하지 않으면 유도 효과로 인해 통과하는 전류가 제어되지 않는 경향이 있습니다.

이것은 이제 권선의 저항과 소스 공급 장치가 제공 할 수있는 전류의 양으로 만 제한됩니다. 상황은 일반적으로 코어의 포화를 방지하기 위해 적절하게 제한되는 스위칭 소자의 최대 온 타임에 의해 제어됩니다.

인덕터 전압 및 전류 계산

포화 지점을 제어하고 최적화하기 위해 인덕터 양단의 전류 및 전압이 모든 SMPS 설계에서 적절하게 계산됩니다. SMPS 설계의 핵심 요소가되는 것은 시간에 따른 현재의 변화입니다. 이것은 다음에 의해 제공됩니다.

나는 = (Vin / L) t_{의 위에}

위의 공식은 인덕터와 직렬로 연결된 제로 저항을 고려합니다. 그러나 실제로 스위칭 소자, 인덕터 및 PCB 트랙과 관련된 저항은 모두 인덕터를 통한 최대 전류를 제한하는 데 기여합니다.

저항이 총 1 옴이라고 가정 해 보겠습니다. 이는 상당히 합리적으로 보입니다.

따라서 인덕터를 통과하는 전류는 이제 다음과 같이 해석 될 수 있습니다.

나는 = (V_에/ R) x (1-전자^{-티_{의 위에}R / L})

핵심 포화 그래프

아래 그래프를 참조하면 첫 번째 그래프는 직렬 저항이없는 10µH 인덕터를 통과하는 전류와 1 Ohm을 직렬로 삽입했을 때의 전류 차이를 보여줍니다.

사용되는 전압은 10V입니다. 직렬 '제한'저항이없는 경우 전류가 무한 시간 프레임에 걸쳐 빠르게 지속적으로 급증 할 수 있습니다.

분명히 이것은 실현 가능하지 않을 수 있지만, 보고서는 인덕터의 전류가 실질적이고 잠재적으로 위험한 크기에 빠르게 도달 할 수 있음을 강조합니다. 이 공식은 인덕터가 포화 점 이하로 유지되는 한 유효합니다.

인덕터 코어가 포화에 도달하자마자 유도 농도는 전류 상승을 최적화 할 수 없습니다. 따라서 전류는 방정식의 예측 범위를 넘어 매우 빠르게 상승합니다. 포화 중에 전류는 일반적으로 직렬 저항과 적용된 전압에 의해 설정된 값으로 제한됩니다.

더 작은 인덕터의 경우이를 통한 전류 증가는 매우 빠르지 만 규정 된 시간 내에 상당한 수준의 에너지를 유지할 수 있습니다. 반대로 인덕터 값이 클수록 전류 상승이 느려질 수 있지만 이러한 값은 동일한 규정 시간 내에 높은 수준의 에너지를 유지할 수 없습니다.

이 효과는 두 번째 및 세 번째 그래프에서 확인할 수 있으며, 전자는 10V 전원을 사용할 때 10µH, 100µH 및 1mH 인덕터에서 전류 상승을 보여줍니다.

그래프 3은 동일한 값을 가진 인덕터에 대해 시간에 따라 저장된 에너지를 나타냅니다.

네 번째 그래프에서 10V를 적용하여 동일한 인덕터를 통한 전류 상승을 볼 수 있습니다. 현재 1 Ohm의 직렬 저항이 인덕터와 직렬로 삽입되었습니다.

다섯 번째 그래프는 매우 동일한 인덕터에 대해 저장된 에너지를 보여줍니다.

여기에서 10µH 인덕터를 통과하는이 전류는 약 50ms 내에 10A 최대 값을 향해 빠르게 치솟는 것이 분명합니다. 그러나 1 옴 저항의 결과로 500 밀리 줄에 가깝게 유지할 수 있습니다.

즉, 100µH 및 1mH 인덕터를 통과하는 전류가 상승하고 저장된 에너지는 동일한 시간 동안 직렬 저항의 영향을받지 않는 경향이 있습니다.