วิธีเลือกตัวเหนี่ยวนำที่เหมาะสมสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง？

ตัวเหนี่ยวนำเรียกอีกอย่างว่าโช้กซึ่งมีลักษณะเป็น" ความเฉื่อยขนาดใหญ่มาก" ในกระแสที่ไหลผ่าน กล่าวอีกนัยหนึ่งเนื่องจากความต่อเนื่องของฟลักซ์แม่เหล็กกระแสบนตัวเหนี่ยวนำจะต้องต่อเนื่องมิฉะนั้นจะเกิดแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ตัวเหนี่ยวนำเป็นส่วนประกอบแม่เหล็กและโดยธรรมชาติแล้วจะมีปัญหาเรื่องความอิ่มตัวของแม่เหล็ก แอพพลิเคชั่นบางตัวอนุญาตให้ตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวแอพพลิเคชั่นบางตัวอนุญาตให้ตัวเหนี่ยวนำเข้าสู่ความอิ่มตัวจากค่ากระแสหนึ่งและแอพพลิเคชั่นบางตัวไม่อนุญาตให้ตัวเหนี่ยวนำอิ่มตัวซึ่งต้องการความแตกต่างในวงจรเฉพาะ

ในกรณีส่วนใหญ่ตัวเหนี่ยวนำจะทำงานใน" ขอบเขตเชิงเส้น" ในขณะนี้ค่าตัวเหนี่ยวนำเป็นค่าคงที่และไม่เปลี่ยนแปลงตามแรงดันและกระแสของเทอร์มินัล อย่างไรก็ตามมีปัญหาที่ไม่สามารถละเลยได้ในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งนั่นคือการคดเคี้ยวของการเหนี่ยวนำจะทำให้เกิดพารามิเตอร์แบบกระจายสองตัว (หรือพารามิเตอร์กาฝาก) ตัวหนึ่งคือความต้านทานการคดเคี้ยวที่หลีกเลี่ยงไม่ได้และอีกอย่างคือการกระจายที่เกี่ยวข้อง กระบวนการและวัสดุที่คดเคี้ยว ความจุหลงทาง

ความจุแบบหลงทางมีผลเพียงเล็กน้อยที่ความถี่ต่ำ แต่จะค่อยๆเห็นได้ชัดเมื่อความถี่เพิ่มขึ้น เมื่อความถี่สูงกว่าค่าหนึ่งค่าความเหนี่ยวนำอาจกลายเป็นลักษณะ capacitive ถ้าความจุหลงทางคือ" เข้มข้น" ในตัวเก็บประจุสามารถใช้วงจรสมมูลของตัวเหนี่ยวนำเพื่อดูลักษณะความจุที่ปรากฏหลังจากความถี่หนึ่ง ๆ

เมื่อวิเคราะห์สภาพการทำงานของตัวเหนี่ยวนำในวงจรหรือวาดรูปคลื่นแรงดันและกระแสคุณอาจต้องพิจารณาคุณสมบัติดังต่อไปนี้:

1. เมื่อกระแส I ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ L พลังงานที่เก็บไว้ในตัวเหนี่ยวนำคือ:E=0.5×L×I2(1)

2. ในวงจรสวิตชิ่งความสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงของกระแสตัวเหนี่ยวนำ (กระแสกระเพื่อมสูงสุดถึงจุดสูงสุด) และแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำคือ:V=(L ×ดิ) / dt (2)

จะเห็นได้ว่าขนาดของกระแสกระเพื่อมมีความสัมพันธ์กับค่าความเหนี่ยวนำ

3. เช่นเดียวกับตัวเก็บประจุที่มีกระแสชาร์จและการคายประจุตัวเหนี่ยวนำยังมีกระบวนการชาร์จและคายประจุแรงดันไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้าบนตัวเก็บประจุเป็นสัดส่วนกับอินทิกรัลของกระแส (A ·วินาที) และกระแสบนตัวเหนี่ยวนำเป็นสัดส่วนกับอินทิกรัลของแรงดันไฟฟ้า (โวลต์·วินาที) ตราบใดที่แรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำเปลี่ยนไปอัตราการเปลี่ยนแปลง di / dt ในปัจจุบันก็จะเปลี่ยนไปด้วยเช่นกัน แรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าทำให้กระแสเพิ่มขึ้นในเชิงเส้นและแรงดันย้อนกลับทำให้กระแสลดลงเชิงเส้น

การคำนวณค่าตัวเหนี่ยวนำที่ถูกต้องเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการเลือกตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาท์พุทที่เหมาะสมเพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าขาออกที่น้อยที่สุด

จะเห็นได้จากรูปที่ 1 ว่ากระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งประกอบด้วยส่วนประกอบ AC และ DC เนื่องจากส่วนประกอบ AC มีความถี่สูงกว่าจึงจะไหลลงกราวด์ผ่านตัวเก็บประจุเอาท์พุทและสร้างแรงดันไฟฟ้าระลอกเอาท์พุทที่สอดคล้องกัน dv=di × RESR แรงดันไฟฟ้าที่กระเพื่อมนี้ควรต่ำที่สุดเพื่อไม่ให้ส่งผลกระทบต่อการทำงานปกติของระบบไฟฟ้า โดยทั่วไปค่าสูงสุดถึงจุดสูงสุดคือ 10mV ~ 500mV

รูปที่ 1: กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ขนาดของกระแสไฟกระเพื่อมยังมีผลต่อขนาดของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเอาท์พุท โดยทั่วไปกระแสไฟกระเพื่อมจะตั้งไว้ที่ 10% ~ 30% ของกระแสไฟขาออกสูงสุด ดังนั้นสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบ step-down ค่าสูงสุดของกระแสที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำจะสูงกว่าของแหล่งจ่ายไฟ กระแสไฟขาออกมีขนาดใหญ่ขึ้น 5% ~ 15%

การเลือกตัวเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟแบบสลับขั้นบันได

เมื่อเลือกตัวเหนี่ยวนำสำหรับแหล่งจ่ายไฟแบบสเต็ปดาวน์คุณต้องกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดแรงดันขาออกความถี่ในการสลับกำลังกระแสไฟกระเพื่อมสูงสุดและรอบการทำงาน ต่อไปนี้ใช้รูปที่ 2 เป็นตัวอย่างเพื่อแสดงการคำนวณค่าความเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟแบบสลับขั้นบันได ขั้นแรกสมมติว่าความถี่ในการเปลี่ยนคือ 300kHz ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตคือ 12V ± 10% กระแสไฟขาออกคือ 1A และกระแสไฟกระเพื่อมสูงสุดคือ 300mA

รูปที่ 2: แผนภาพวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบสเต็ปดาวน์

แรงดันไฟฟ้าขาเข้าสูงสุดคือ 13.2V และรอบการทำงานที่สอดคล้องกันคือ:

D=Vo / Vi=5 / 13.2=0.379 (3)

Vo คือแรงดันไฟฟ้าขาออกและ Vi คือแรงดันไฟฟ้าขาออก เมื่อหลอดสวิตช์เปิดอยู่แรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำคือ:

V=Vi-Vo=8.2 โวลต์ (4)

เมื่อหลอดสวิตช์ปิดแรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำคือ:

V=-Vo-Vd=-5.3V (5)

dt=D / F (6)

การแทนที่สูตร 2/3/6 เป็นสูตร 2 จะให้:

การเลือกตัวเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟแบบสลับขั้นตอน

สำหรับการคำนวณค่าตัวเหนี่ยวนำของแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งแบบ step-up วิธีการคำนวณจะเหมือนกับของแหล่งจ่ายไฟสวิตชิ่งแบบ step-down ยกเว้นว่าความสัมพันธ์ระหว่างรอบการทำงานและแรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำมีการเปลี่ยนแปลง

ใช้รูปที่ 3 เป็นตัวอย่างในการคำนวณ สมมติว่าความถี่ในการเปลี่ยนคือ 300kHz ช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตคือ 5V ± 10% กระแสไฟขาออก 500mA และประสิทธิภาพ 80% กระแสไฟกระเพื่อมสูงสุด 450mA และรอบการทำงานที่สอดคล้องกันคือ:

D=1-Vi / Vo=1-5.5 / 12=0.542 (7)

รูปที่ 3: แผนภาพวงจรของแหล่งจ่ายไฟแบบ step-up

เมื่อหลอดสวิตช์เปิดอยู่แรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำคือ:

V=Vi=5.5 โวลต์ (8)

เมื่อหลอดสวิตช์ปิดแรงดันไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำคือ:

V=Vo + Vd-Vi=6.8V (9)

การแทนที่สูตร 6/7/8 เป็นสูตร 2 จะให้:

โปรดทราบว่าแหล่งจ่ายไฟแบบ step-up แตกต่างจากแหล่งจ่ายไฟแบบ step-down ตรงที่กระแสไฟฟ้าของตัวเหนี่ยวนำไม่ได้ให้กระแสไฟฟ้าเสมอไป เมื่อหลอดสวิตช์เปิดอยู่กระแสไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะไหลลงกราวด์ผ่านท่อสวิตช์และกระแสโหลดจะมาจากตัวเก็บประจุเอาท์พุท ดังนั้นตัวเก็บประจุเอาท์พุทจะต้องมีความสามารถในการกักเก็บพลังงานเพียงพอที่จะให้กระแสที่ต้องการโดยโหลดในช่วงเวลานี้ อย่างไรก็ตามในช่วงปิดเครื่องกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำไม่เพียง แต่ให้โหลดเท่านั้น แต่ยังชาร์จตัวเก็บประจุเอาท์พุทด้วย

โดยทั่วไปแล้วค่าการเหนี่ยวนำยิ่งมากเท่าไหร่การกระเพื่อมของเอาต์พุตก็จะยิ่งน้อยลง แต่การตอบสนองแบบไดนามิกของแหล่งจ่ายไฟจะแย่ลง ดังนั้นการเลือกค่าความเหนี่ยวนำจึงสามารถปรับเปลี่ยนได้ตามข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะของวงจรเพื่อให้ได้เอฟเฟกต์ที่เหมาะสมที่สุด

การเพิ่มความถี่ในการเปลี่ยนสามารถทำให้ค่าการเหนี่ยวนำมีขนาดเล็กลงซึ่งจะทำให้ขนาดทางกายภาพของตัวเหนี่ยวนำเล็กลงและประหยัดพื้นที่แผงวงจร ดังนั้นแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งในปัจจุบันจึงมีแนวโน้มในการพัฒนาความถี่สูงเพื่อตอบสนองความต้องการของผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลงและมีขนาดเล็กลง

สอบถามข้อมูลเพิ่มเติมได้ที่sales@xfullstar.com