電感線圈在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的作用是什么

開(kāi)關(guān)模式轉(zhuǎn)換器或SMPS最關(guān)鍵的元件是電感。

在短暫的導(dǎo)通期間（t上） 通過(guò)連接的開(kāi)關(guān)元件（如 MOSFET 或 BJT）進(jìn)行切換。

電感在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中的工作原理

在此導(dǎo)通周期內(nèi)，電壓V施加在電感L上，通過(guò)電感的電流隨時(shí)間變化。

這種電流變化受到電感的“限制”，因此我們發(fā)現(xiàn)相關(guān)術(shù)語(yǔ)扼流圈通常用作SMPS電感的替代名稱(chēng)，其數(shù)學(xué)上通過(guò)公式表示：

di/dt=V/L

當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)在電感器中的能量被釋放或“反沖”。

繞組兩端產(chǎn)生的磁場(chǎng)由于沒(méi)有電流或電壓來(lái)保持磁場(chǎng)而坍塌。此時(shí)的坍縮場(chǎng)急劇“切入”繞組，從而產(chǎn)生與最初施加的開(kāi)關(guān)電壓具有相反極性的反向電壓。

該電壓使電流沿同一方向移動(dòng)。因此，電感繞組的輸入和輸出之間發(fā)生了能量交換。

以上述解釋的方式實(shí)現(xiàn)電感器可以看作是楞次定律的主要應(yīng)用。另一方面，起初似乎沒(méi)有能量可以像電容器那樣“無(wú)限”存儲(chǔ)在電感器中。

想象一下使用超導(dǎo)線構(gòu)建的電感器。一旦用開(kāi)關(guān)電位“充電”，儲(chǔ)存的能量可能會(huì)以磁場(chǎng)的形式永遠(yuǎn)保持下去。

然而，快速提取這種能量可能是一個(gè)完全不同的問(wèn)題。電感器內(nèi)可以存儲(chǔ)多少能量受電感磁芯材料的飽和磁通密度Bmax的限制。

這種材料通常是鐵氧體。當(dāng)電感器達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，磁芯材料就會(huì)失去進(jìn)一步磁化的能力。

材料內(nèi)部的所有磁偶極子都對(duì)齊，因此沒(méi)有更多的能量能夠積聚為內(nèi)部的磁場(chǎng)。材料的飽和磁通密度通常受核心溫度變化的影響，在100°C時(shí)可能比25°C時(shí)的原始值下降50%

確切地說(shuō)，如果不防止SMPS電感磁芯飽和，則由于電感效應(yīng)，通過(guò)的電流往往會(huì)變得不受控制。

現(xiàn)在，這僅受繞組電阻和源電源能夠提供的電流量的限制。這種情況通常由開(kāi)關(guān)元件的最大導(dǎo)通時(shí)間控制，該時(shí)間受到適當(dāng)限制以防止內(nèi)核飽和。

計(jì)算電感電壓和電流

為了控制和優(yōu)化飽和點(diǎn)，在所有SMPS設(shè)計(jì)中，電感兩端的電流和電壓都需要適當(dāng)計(jì)算。電流隨時(shí)間的變化成為SMPS設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。這是由以下人員給出的：

i = （Vin/L）t上

上述公式考慮了與電感串聯(lián)的零電阻。然而，實(shí)際上，與開(kāi)關(guān)元件、電感器以及PCB走線相關(guān)的電阻都將有助于限制通過(guò)電感器的最大電流。

讓我們假設(shè)一個(gè)電阻總共是 1 歐姆，這似乎很合理。

因此，通過(guò)電感的電流現(xiàn)在可以解釋為：

i = （V在/ R）x （1 - e-噸上R/L）

核心飽和度圖

參考下圖，第一張圖顯示了通過(guò)無(wú)串聯(lián)電阻的10 μH電感器的電流差，以及串聯(lián)插入1歐姆時(shí)的電流差。

使用的電壓為 10 V。如果沒(méi)有任何串聯(lián)“限制”電阻，可能會(huì)導(dǎo)致電流在無(wú)限的時(shí)間范圍內(nèi)快速連續(xù)地浪涌。

顯然，這可能不可行，但該報(bào)告確實(shí)強(qiáng)調(diào)電感中的電流可能很快達(dá)到相當(dāng)大的潛在危險(xiǎn)幅度。只要電感保持在飽和點(diǎn)以下，該公式才有效。

一旦電感磁芯達(dá)到飽和，電感集中就無(wú)法優(yōu)化電流上升。因此，電流上升得非?？?，這完全超出了方程的預(yù)測(cè)范圍。在飽和期間，電流被限制在通常由串聯(lián)電阻和施加電壓確定的值。

對(duì)于較小的電感器，通過(guò)它們的電流增加非?？?，但它們可以在規(guī)定的時(shí)間范圍內(nèi)保持顯著的能量水平。相反，較大的電感值可能會(huì)顯示緩慢的電流上升，但這些電感值無(wú)法在相同的規(guī)定時(shí)間內(nèi)保持高水平的能量。

這種效應(yīng)可以在第二張和第三張圖中看到，前者顯示了使用10 μH電源時(shí)10 μH、100 μH和1 mH電感的電流上升。

圖3顯示了具有相同值的電感器隨時(shí)間儲(chǔ)存的能量。

在第四張圖中，我們可以看到通過(guò)相同電感器的電流上升，通過(guò)施加10 V，盡管現(xiàn)在與電感串聯(lián)插入1 Ω的串聯(lián)電阻。

第五張圖顯示了相同電感器存儲(chǔ)的能量。

很明顯，通過(guò)10 μH電感的電流在大約50 ms內(nèi)迅速飆升至10 A最大值。然而，由于1歐姆電阻，它只能保持接近500毫焦耳。

話雖如此，通過(guò)100 μH和1 mH電感的電流上升，并且存儲(chǔ)的能量在相同時(shí)間內(nèi)往往不受串聯(lián)電阻的影響。