O papel da bobina indutora no SMPS

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O elemento mais importante de um conversor de modo comutado ou SMPS é o indutor.

A energia é armazenada na forma de um campo magnético no material do núcleo do indutor durante o breve período LIGADO (tsobre) comutado através do elemento de comutação conectado, como MOSFET ou BJT.



Como funciona o indutor no SMPS

Durante este período ON, a tensão, V, é aplicada através do indutor, L, e a corrente através do indutor muda com o tempo.

Esta mudança atual é 'restrita' pela indutância, portanto, encontramos o termo relacionado choke normalmente usado como um nome alternativo para um indutor SMPS, que é matematicamente representado por meio da fórmula:



di / dt = V / L

Quando a chave é desligada, a energia armazenada no indutor é liberada ou 'retrocedida'.

O campo magnético desenvolvido através dos enrolamentos entra em colapso devido à ausência de fluxo de corrente ou tensão para manter o campo. O campo em colapso neste ponto 'corta' bruscamente os enrolamentos, o que cria uma tensão reversa com uma polaridade oposta à tensão de comutação originalmente aplicada.

Essa tensão faz com que uma corrente se mova na mesma direção. Assim, ocorre uma troca de energia entre a entrada e a saída do enrolamento indutor.

A implementação do indutor da maneira explicada acima pode ser testemunhada como uma aplicação primária da lei de Lenz. Por outro lado, a princípio, parece que nenhuma energia poderia ser armazenada 'infinitamente' dentro de um indutor como um capacitor.

Imagine um indutor construído com fio supercondutor. Uma vez 'carregada' com um potencial de comutação, a energia armazenada poderia ser retida para sempre na forma de um campo magnético.

No entanto, extrair rapidamente essa energia pode ser um problema completamente diferente. A quantidade de energia que poderia ser armazenada em um indutor é restringida pela densidade do fluxo de saturação, Bmax, do material do núcleo do indutor.

Este material geralmente é uma ferrita. No momento em que um indutor atinge a saturação, o material do núcleo perde sua capacidade de ser magnetizado ainda mais.

Todos os dipolos magnéticos dentro do material ficam alinhados, portanto, nenhuma energia mais é capaz de se acumular como um campo magnético dentro dele. A densidade do fluxo de saturação do material é geralmente afetada com mudanças na temperatura central, que pode cair em 50% em 100 ° C do que seu valor original a 25 ° C

Para ser preciso, se o núcleo do indutor SMPS não for impedido de saturar, a corrente tende a se tornar descontrolada devido ao efeito indutivo.

Isso agora fica limitado apenas pela resistência dos enrolamentos e pela quantidade de corrente que a fonte de alimentação é capaz de fornecer. A situação é geralmente controlada pelo tempo máximo de ativação do elemento de comutação, que é apropriadamente limitado para evitar a saturação do núcleo.

Calculando a tensão e a corrente do indutor

Para controlar e otimizar o ponto de saturação, a corrente e a tensão no indutor são calculadas apropriadamente em todos os projetos SMPS. É a mudança atual com o tempo que se torna o fator-chave em um design SMPS. Isso é dado por:

i = (Vin / L) tsobre

A fórmula acima considera uma resistência zero em série com o indutor. No entanto, praticamente, a resistência associada ao elemento de chaveamento, indutor, bem como a trilha do PCB, todos contribuirão para limitar a corrente máxima através do indutor.

Vamos supor que uma resistência total seja de 1 ohm, o que parece bastante razoável.

Assim, a corrente através do indutor pode agora ser interpretada como:

i = (Vno/ R) x (1 - e-tsobreR / L)

Gráficos de saturação central

Referindo-se aos gráficos mostrados abaixo, o primeiro gráfico mostra a diferença de corrente através de um indutor de 10 µH sem resistência em série e quando 1 Ohm é inserido em série.

A tensão usada é de 10 V. Caso não haja nenhuma resistência 'limitante' em série, pode fazer com que a corrente surte rápida e continuamente por um período de tempo infinito.

Claramente, isso pode não ser viável, no entanto, o relatório enfatiza que a corrente em um indutor pode rapidamente atingir magnitudes substanciais e potencialmente perigosas. Esta fórmula apenas é válida enquanto o indutor permanecer abaixo do ponto de saturação.

Assim que o núcleo do indutor atinge a saturação, a concentração indutiva é incapaz de otimizar o aumento da corrente. Portanto, a corrente aumenta muito rápido, o que está simplesmente além da faixa de previsão da equação. Durante a saturação, a corrente fica restrita a um valor normalmente estabelecido pela resistência série e tensão aplicada.

No caso de indutores menores, o aumento da corrente através deles é muito rápido, mas eles podem reter níveis significativos de energia dentro de um período de tempo estipulado. Ao contrário, valores maiores do indutor podem mostrar aumento lento da corrente, mas eles são incapazes de reter altos níveis de energia dentro do mesmo tempo estipulado.

Este efeito pode ser testemunhado no segundo e terceiro gráficos, o primeiro demonstrando aumento na corrente em indutores de 10 µH, 100 µH e 1 mH quando uma fonte de 10 V é utilizada.

O gráfico 3 indica a energia armazenada ao longo do tempo para indutores com os mesmos valores.

No quarto gráfico podemos ver o aumento da corrente através dos mesmos indutores, aplicando um 10 V embora agora uma resistência em série de 1 Ohm seja inserida em série com o indutor.

O quinto gráfico demonstra a energia armazenada para os mesmos indutores.

Aqui, é aparente que esta corrente através do indutor de 10 µH sobe rapidamente em direção ao valor máximo de 10 A em aproximadamente 50 ms. No entanto, como resultado do resistor de 1 ohm, ele é capaz de reter apenas cerca de 500 milijoules.

Dito isso, a corrente através dos indutores de 100 µH e 1 mH aumenta e a energia armazenada tende a ser razoavelmente afetada com a resistência em série no mesmo período de tempo.




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