Il ruolo della bobina dell'induttore in SMPS

L'elemento più cruciale di un convertitore a modalità commutata o di un SMPS è l'induttore.

L'energia viene immagazzinata sotto forma di campo magnetico nel materiale del nucleo dell'induttore durante il breve periodo ON (t_su) commutato attraverso l'elemento di commutazione collegato come MOSFET o BJT.

Come funziona l'induttore in SMPS

Durante questo periodo di accensione, la tensione, V, viene applicata all'induttore, L, e la corrente attraverso l'induttore cambia nel tempo.

Questa variazione di corrente è 'limitata' dall'induttanza, quindi troviamo il relativo termine induttanza normalmente utilizzato come nome alternativo per un induttore SMPS, che è rappresentato matematicamente attraverso la formula:

di / dt = V / L

Quando l'interruttore è spento, l'energia immagazzinata nell'induttore viene rilasciata o 'respinta'.

Il campo magnetico sviluppato attraverso gli avvolgimenti collassa a causa dell'assenza di flusso di corrente o tensione per trattenere il campo. Il campo di collasso a questo punto 'taglia' bruscamente gli avvolgimenti, che crea una tensione inversa avente una polarità opposta a quella originariamente applicata alla tensione di commutazione.

Questa tensione fa sì che una corrente si muova nella stessa direzione. Si ha così uno scambio di energia tra l'ingresso e l'uscita dell'avvolgimento dell'induttore.

L'implementazione dell'induttore nel modo sopra spiegato può essere considerata un'applicazione primaria della legge di Lenz. D'altra parte, all'inizio sembra che nessuna energia possa essere immagazzinata 'infinitamente' all'interno di un induttore proprio come un condensatore.

Immagina un induttore costruito usando un filo superconduttore. Una volta 'caricata' con un potenziale di commutazione, l'energia immagazzinata potrebbe essere trattenuta per sempre sotto forma di un campo magnetico.

Tuttavia, estrarre rapidamente questa energia può essere una questione completamente diversa. La quantità di energia che potrebbe essere immagazzinata all'interno di un induttore è limitata dalla densità del flusso di saturazione, Bmax, del materiale del nucleo dell'induttore.

Questo materiale è solitamente una ferrite. Nel momento in cui un induttore va in saturazione, il materiale del nucleo perde la sua capacità di magnetizzarsi ulteriormente.

Tutti i dipoli magnetici all'interno del materiale si allineano, quindi non è più possibile accumulare energia come campo magnetico al suo interno. La densità del flusso di saturazione del materiale è generalmente influenzata dalle variazioni della temperatura interna, che può scendere del 50% a 100 ° C rispetto al suo valore originale a 25 ° C

Per essere precisi, se al nucleo dell'induttore SMPS non viene impedita la saturazione, la corrente che attraversa tende a diventare incontrollata a causa dell'effetto induttivo.

Questo ora diventa limitato solo dalla resistenza degli avvolgimenti e dalla quantità di corrente che la fonte di alimentazione è in grado di fornire. La situazione è generalmente controllata dal tempo massimo di attivazione dell'elemento di commutazione che è opportunamente limitato per impedire la saturazione del nucleo.

Calcolo della tensione e della corrente dell'induttore

Per controllare e ottimizzare il punto di saturazione, la corrente e la tensione attraverso l'induttore vengono quindi calcolate in modo appropriato in tutti i progetti SMPS. È l'attuale cambiamento nel tempo che diventa il fattore chiave in un progetto SMPS. Questo è dato da:

io = (Vin / L) t_su

La formula sopra considera una resistenza zero in serie con l'induttore. Tuttavia, in pratica, la resistenza associata all'elemento di commutazione, all'induttore e alla pista PCB contribuiranno tutte a limitare la corrente massima attraverso l'induttore.

Supponiamo che una resistenza sia un totale di 1 ohm, il che sembra abbastanza ragionevole.

Quindi la corrente attraverso l'induttore può essere ora interpretata come:

io = (V_nel/ R) x (1 - e^{-t_suR / L})

Grafici di saturazione del nucleo

Facendo riferimento ai grafici riportati di seguito il primo grafico mostra la differenza di corrente attraverso un induttore da 10 µH senza resistenza in serie, e quando 1 Ohm è inserito in serie.

La tensione utilizzata è 10 V. Nel caso in cui non ci sia alcuna resistenza 'limitante' in serie, la corrente può aumentare rapidamente e continuamente per un periodo di tempo infinito.

Chiaramente, questo potrebbe non essere fattibile, tuttavia il rapporto sottolinea che la corrente in un induttore potrebbe raggiungere rapidamente magnitudini sostanziali e potenzialmente pericolose. Questa formula è valida solo finché l'induttore rimane al di sotto del punto di saturazione.

Non appena il nucleo dell'induttore raggiunge la saturazione, la concentrazione induttiva non è in grado di ottimizzare l'aumento di corrente. Pertanto la corrente aumenta molto rapidamente, il che è semplicemente oltre l'intervallo di previsione dell'equazione. Durante la saturazione, la corrente viene limitata ad un valore normalmente stabilito dalla resistenza in serie e dalla tensione applicata.

In caso di induttori più piccoli, l'aumento della corrente attraverso di essi è molto veloce, ma possono mantenere livelli significativi di energia entro un periodo di tempo stabilito. Al contrario, valori dell'induttore più grandi possono mostrare un lento aumento della corrente, ma questi non sono in grado di mantenere alti livelli di energia entro lo stesso tempo stabilito.

Questo effetto può essere osservato nel secondo e nel terzo grafico, il primo che mostra un aumento della corrente in induttori da 10 µH, 100 µH e 1 mH quando viene utilizzata un'alimentazione di 10V.

Il grafico 3 indica l'energia immagazzinata nel tempo per induttori con gli stessi valori.

Nel quarto grafico possiamo vedere l'aumento di corrente attraverso gli stessi induttori, applicando un 10 V anche se ora una resistenza in serie di 1 Ohm è inserita in serie con l'induttore.

Il quinto grafico mostra l'energia immagazzinata per gli stessi induttori.

Qui, è evidente che questa corrente attraverso l'induttore da 10 µH sale rapidamente verso il valore massimo di 10 A in circa 50 ms. Tuttavia, grazie alla resistenza da 1 ohm, è in grado di trattenere solo circa 500 millijoule.

Detto questo, la corrente attraverso gli induttori da 100 µH e 1 mH aumenta e l'energia immagazzinata tende a essere ragionevolmente inalterata dalla resistenza in serie per lo stesso periodo di tempo.