El papel de la bobina inductora en SMPS

El elemento más crucial de un convertidor de modo conmutado o un SMPS es el inductor.

La energía se almacena en forma de campo magnético en el material del núcleo del inductor durante el breve período de encendido (t_en) conmutado a través del elemento de conmutación conectado, como un MOSFET o un BJT.

Cómo funciona el inductor en SMPS

Durante este período de ENCENDIDO, se aplica voltaje, V, a través del inductor, L, y la corriente a través del inductor cambia con el tiempo.

Este cambio de corriente está 'restringido' por la inductancia, por lo tanto, encontramos el término relacionado estrangulador que se usa normalmente como un nombre alternativo para un inductor SMPS, que se representa matemáticamente a través de la fórmula:

di / dt = V / L

Cuando se apaga el interruptor, la energía almacenada en el inductor se libera o 'retrocede'.

El campo magnético desarrollado a través de los devanados colapsa debido a la ausencia de flujo de corriente o voltaje para mantener el campo. El campo colapsante en este punto 'corta' bruscamente a través de los devanados, lo que genera una tensión inversa que tiene una polaridad opuesta a la tensión de conmutación aplicada originalmente.

Este voltaje hace que una corriente se mueva en la misma dirección. Se produce así un intercambio de energía entre la entrada y la salida del devanado del inductor.

La implementación del inductor de la manera explicada anteriormente se puede observar como una aplicación principal de la ley de Lenz. Por otro lado, al principio parece que no se puede almacenar energía 'infinitamente' dentro de un inductor como un capacitor.

Imagine un inductor construido con alambre superconductor. Una vez 'cargada' con un potencial de conmutación, la energía almacenada podría conservarse para siempre en forma de campo magnético.

Sin embargo, extraer rápidamente esta energía puede ser un problema completamente diferente. La cantidad de energía que podría almacenarse dentro de un inductor está restringida por la densidad de flujo de saturación, Bmax, del material del núcleo del inductor.

Este material suele ser una ferrita. En el momento en que un inductor se satura, el material del núcleo pierde su capacidad de magnetizarse más.

Todos los dipolos magnéticos dentro del material se alinean, por lo que no se puede acumular más energía como un campo magnético en su interior. La densidad de flujo de saturación del material generalmente se ve afectada por cambios en la temperatura del núcleo, que puede caer un 50% en 100 ° C que su valor original a 25 ° C

Para ser precisos, si no se evita que el núcleo del inductor SMPS se sature, la corriente pasante tiende a descontrolarse debido al efecto inductivo.

Esto ahora se limita únicamente con la resistencia de los devanados y la cantidad de corriente que la fuente de alimentación puede proporcionar. Generalmente, la situación se controla mediante el tiempo de activación máximo del elemento de conmutación, que está adecuadamente limitado para evitar la saturación del núcleo.

Cálculo del voltaje y la corriente del inductor

Para controlar y optimizar el punto de saturación, la corriente y el voltaje a través del inductor se calculan de manera apropiada en todos los diseños de SMPS. Es el cambio actual con el tiempo lo que se convierte en el factor clave en un diseño SMPS. Esto viene dado por:

y = (Vin / L) t_en

La fórmula anterior considera una resistencia cero en serie con el inductor. Sin embargo, prácticamente, la resistencia asociada con el elemento de conmutación, el inductor y la pista de la placa de circuito impreso contribuirán a limitar la corriente máxima a través del inductor.

Supongamos que una resistencia es un total de 1 ohmio, lo que parece bastante razonable.

Por lo tanto, la corriente a través del inductor ahora se puede interpretar como:

yo = (V_en/ R) x (1 - e^{-t_enR / L})

Gráficos de saturación del núcleo

Refiriéndose a los gráficos que se muestran a continuación, el primer gráfico muestra la diferencia en la corriente a través de un inductor de 10 µH sin resistencia en serie, y cuando se inserta 1 ohmio en serie.

El voltaje utilizado es de 10 V. En caso de que no haya ninguna resistencia 'limitante' en serie, puede provocar que la corriente aumente rápida y continuamente durante un período de tiempo infinito.

Claramente, esto puede no ser factible, sin embargo, el informe enfatiza que la corriente en un inductor podría alcanzar rápidamente magnitudes sustanciales y potencialmente peligrosas. Esta fórmula simplemente es válida mientras el inductor permanezca por debajo del punto de saturación.

Tan pronto como el núcleo del inductor alcanza la saturación, la concentración inductiva no puede optimizar el aumento de corriente. Por lo tanto, la corriente aumenta muy rápido, lo que simplemente está más allá del rango de predicción de la ecuación. Durante la saturación, la corriente se restringe a un valor normalmente establecido por la resistencia en serie y el voltaje aplicado.

En el caso de inductores más pequeños, los aumentos de corriente a través de ellos son realmente rápidos, pero pueden retener niveles significativos de energía dentro de un período de tiempo estipulado. Por el contrario, los valores de inductor más grandes pueden mostrar un aumento lento de la corriente, pero estos no pueden retener altos niveles de energía dentro del mismo tiempo estipulado.

Este efecto se puede observar en el segundo y tercer gráfico, el primero que demuestra un aumento en la corriente en inductores de 10 µH, 100 µH y 1 mH cuando se utiliza un suministro de 10V.

El gráfico 3 indica la energía almacenada en el tiempo para inductores con los mismos valores.

En el cuarto gráfico podemos ver el aumento de corriente a través de los mismos inductores, aplicando un 10 V aunque ahora se inserta una resistencia en serie de 1 Ohm en serie con el inductor.

El quinto gráfico demuestra la energía almacenada para los mismos inductores.

Aquí, es evidente que esta corriente a través del inductor de 10 µH se eleva rápidamente hacia el valor máximo de 10 A en aproximadamente 50 ms. Sin embargo, como resultado de la resistencia de 1 ohm, es capaz de retener solo cerca de 500 milijulios.

Habiendo dicho eso, la corriente a través de inductores de 100 µH y 1 mH aumenta y la energía almacenada tiende a no verse afectada razonablemente con la resistencia en serie durante la misma cantidad de tiempo.