Проведение внутрисхемных измерений индуктивности и трансформатора в SMPS

Уилсон Ли, менеджер по техническому маркетингу Tektronix.

Катушки индуктивности и трансформаторы играют ключевую роль в импульсных источниках питания. Чтобы убедиться, что они работают должным образом, необходимо провести тщательные внутрисхемные измерения в рабочих условиях. Вот что вам нужно знать.

В импульсных источниках питания (SMPS) решающую роль играют магнитные компоненты, а именно катушки индуктивности и трансформаторы. Большая часть процесса проектирования SMPS опирается на спецификации компонентов и имитационные модели. Однако из-за фактических условий сигнала, паразитных параметров, температуры и других факторов окружающей среды, влияющих на работу магнитных компонентов, источник питания может работать не так, как предсказывается спецификациями и моделированием. В результате внутрисхемные измерения катушек индуктивности и трансформаторов в рабочих условиях имеют решающее значение для обеспечения надежной работы в реальных условиях.

При наличии подходящих инструментов выполнение этих измерений не должно быть трудным или требовать много времени. Сначала мы рассмотрим основную теорию индукторов и трансформаторов, особенно в том, что касается внутрисхемных измерений. Затем мы рассмотрим использование осциллографа и пробников во время работы от источника питания, а также рассмотрим использование индукционных измерений и кривых B-H, чтобы получить представление о производительности.

Теория индуктивности

Законы Фарадея и Ленца говорят нам, что ток через катушку индуктивности и напряжение на катушке индуктивности связаны следующим образом:

Это показывает, что индуктивность можно рассматривать как степень, в которой изменение тока приводит к возникновению противоположного напряжения. Интегрируя, переставляя и игнорируя знак, мы можем получить:

Это показывает, что индуктивность может быть определена как функция напряжения и тока с течением времени. Такое измерение во временной области лучше всего выполнять с помощью осциллографа, оснащенного пробником напряжения, пробником тока и возможностью выполнять интегрирование и строить график зависимости X от Y.

В отличие от теоретической катушки индуктивности, значение индуктивности реальной катушки индуктивности зависит от уровней тока, температуры и рабочей частоты. В источнике питания эти характеристики меняются в реальном времени в зависимости от условий эксплуатации.

1. Основной индуктор - это катушка, намотанная на замкнутый ферромагнитный сердечник. Через катушку, имеющую N витков, протекает ток I ампер. Индуктивность катушки описывает соотношение между током, протекающим в катушке, и магнитным потоком.

Например, индуктивность тороида на Рис. 1 может быть приблизительно равно:

где µ - магнитная проницаемость сердечника; N - количество витков провода на тороиде; r - радиус жилы от пунктирной центральной линии в см; А - площадь поперечного сечения сердечника в см ² (предполагается малым по сравнению с радиусом тороида).

Поскольку это количество витков возведено в квадрат, он вносит наибольший вклад в индуктивность. Кроме того, проницаемость материала сердцевины играет важную роль. Однако значение индуктивности также связано с физическим размером компонента. Чтобы минимизировать размер индуктора, в большинстве индукторов в электронике используются материалы сердечника, которые имеют гораздо более высокую проницаемость, чем воздух.

Короче говоря, характеристики материала и геометрии сердечника имеют решающее значение для определения индуктивности в различных условиях эксплуатации, а также потерь мощности в устройстве.

Измерения индуктивности

Разработчики источников питания обычно используют методы моделирования, чтобы определить подходящее значение индуктивности для конструкции. После изготовления индуктора обычной практикой является проверка индуктивности с помощью измерителя LCR. Однако большинство измерителей LCR стимулируют компонент синусоидами в узком частотном диапазоне, поэтому, хотя это хороший метод для подтверждения того, что компонент имеет примерно правильное значение, он плохо предсказывает внутрисхемные характеристики.

Характеристики индуктивности катушки индуктивности зависят от сигнала возбуждения источника тока и напряжения, формы волны и рабочей частоты, которые могут изменяться в рабочих условиях в реальном времени. Поэтому важно измерять и наблюдать за поведением катушки индуктивности в динамически изменяющейся среде источника питания.

Эти измерения выполняются путем измерения напряжения на устройстве, обычно с помощью дифференциального пробника напряжения. Токовый зонд обычно используется для измерения тока через магнитный компонент. Чтобы определить индуктивность, программное обеспечение для анализа мощности на основе осциллографа интегрирует напряжение с течением времени и делит его на изменение тока. Он также удаляет любое смещение постоянного тока и использует усреднение для вычисления значения индуктивности.

При измерении индуктивности трансформатора важно избегать нагрузки на вторичную обмотку. Измерение индуктивности первичной обмотки при отсутствии нагрузки эквивалентно измерению индуктивности однообмоточной катушки индуктивности. Когда вы измеряете индуктивность связанной катушки индуктивности с несколькими обмотками на одном сердечнике, измеренное значение индуктивности будет отклоняться от фактического значения из-за влияния тока на другую обмотку (и).

На рисунке 2 , измерение индуктивности дает среднее значение индуктивности в генри. Желтая форма волны (CH1) - это напряжение на катушке индуктивности, а синяя форма волны (CH2) - это ток через катушку индуктивности. На графике слева показан ток i в зависимости от ∫vdt, крутизна которого является индуктивностью.

2. Среднее значение индуктивности в генри.

Рисунок 3 показывает измерение напряжения I в зависимости от V, которое дает дополнительную информацию о характеристиках индуктора. Здесь вы можете увидеть любое смещение постоянного тока, которое нарастает за несколько циклов. Желтый сигнал (CH1) - это напряжение на катушке индуктивности, а синий сигнал (CH2) - это ток через катушку индуктивности.

3. Это показывает измерение I по сравнению с V, которое дает дополнительную информацию о характеристиках индуктора. Здесь вы можете увидеть любое смещение постоянного тока, которое нарастает за несколько циклов. Желтый сигнал (CH1) - это напряжение на катушке индуктивности, а синий сигнал (CH2) - это ток, проходящий через катушку индуктивности.

Измерения кривой B-H

Компоненты магнитного источника питания рассчитаны на ожидаемое рабочее напряжение, ток, топологию и конкретный тип преобразователя мощности. Рабочие области катушек индуктивности и трансформаторов помогают определить стабильность ИИП. Однако рабочие характеристики источника питания могут изменяться при включении питания, в установившемся режиме работы, изменениях нагрузки и изменениях окружающей среды, что чрезвычайно затрудняет рассмотрение всех возможных сценариев в процессе проектирования.

Для обеспечения стабильности источника питания важно охарактеризовать рабочую область магнитного компонента в SMPS. Обычно цель состоит в том, чтобы избежать насыщения и работать в линейной области кривой гистерезиса. Однако чрезвычайно сложно спроектировать магнитный компонент и гарантировать, что он будет работать в линейной области при любых условиях.

4. Производители материала сердечника могут предоставить такую ​​кривую гистерезиса как часть своих спецификаций.

Кривые B-H, подобные показанной на рисунке 4 помочь дизайнерам визуализировать работу индуктора и его сердечника. В этом примере H, измеряемая в А / м, представляет собой силу намагничивания в устройстве. Он измеряется в амперах на метр и пропорционален току:

Результирующая плотность потока B пропорциональна интегралу напряжения на устройстве. Плотность магнитного потока B, измеряемая в единицах Тесла, представляет собой напряженность магнитного поля. Он определяет силу, действующую на движущийся заряд магнитным полем.

Эта кривая предлагает ряд важных выводов, в том числе:

• Проницаемость, мкм Измеряется в Гн / м. Это характеристика материала сердечника, и это скорость, с которой сила намагничивания H (управляемая током) создает плотность магнитного потока B (интегрированное напряжение). Это наклон кривой B-H. Конструкторы используют материал с высокой проницаемостью, чтобы сделать катушки индуктивности и трансформаторы физически меньшего размера.
• Плотность потока насыщения. Точка, в которой дополнительная сила намагничивания H перестает создавать дополнительную плотность магнитного потока, B. Разработчики избегают насыщения в большинстве приложений с источниками питания.
• Характеристики гистерезиса. Гистерезис - это «ширина» кривой, указывающая на потери в источниках питания. Большинство конструкций стремятся использовать магнитно «мягкие» материалы сердечника, чтобы минимизировать остаточную магнитную индукцию Br, плотность магнитного потока, которая остается в материале после того, как сила намагничивания H падает до нуля, а коэрцитивная сила или коэрцитивная сила c - значение H, необходимое для приведения в движение. плотность потока B до нуля.

Признаки потенциальной нестабильности включают:

• Измеренная пиковая плотность потока, близкая к плотности потока насыщения, указанной в таблице данных керна, указывает на то, что компонент приближается к насыщению.
• Кривые BH, которые изменяются от цикла к циклу, указывая на насыщение. В стабильном / эффективном источнике питания кривая BH будет иметь симметричный обратный путь и будет последовательно отслеживать этот путь.

Осциллограф можно использовать для измерения в цепи напряжения и тока через обмотку катушки индуктивности. Учитывая количество витков в устройстве, магнитную длину устройства и площадь поперечного сечения сердечника, можно получить фактические значения B и H на основе измерений напряжения и тока в реальном времени с помощью осциллографа.

Чтобы построить график B-H, вам необходимо измерить напряжение на магнитном элементе и ток, протекающий через него. В случае трансформатора интерес представляют токи через первичную и вторичную обмотки. Высоковольтный дифференциальный зонд подключается к катушке индуктивности или первичной обмотке трансформатора. Токовый пробник измеряет ток через катушку индуктивности или первичную обмотку. При необходимости датчики тока также используются для измерения тока через вторичные обмотки.

Рисунок 5 показывает магнитные измерения на трансформаторе с несколькими вторичными обмотками. Сигнал Ref1 (белый) - это напряжение на катушке индуктивности, а сигнал Ref 2 (синий) - это ток катушки индуктивности. В этом случае отображается математическое значение wfm (оранжевый), которое представляет собой результирующий текущий wfm, потому что осциллограф был настроен для проверки нескольких вторичных обмоток.

5. Это показывает магнитные измерения на нескольких трансформаторах вторичной обмотки.

Кривые B-H для трансформаторов

Чтобы измерить магнитные характеристики трансформатора в рабочих условиях, необходимо учитывать ток, передаваемый во вторичную обмотку. При измерении кривой B-H на трансформаторе полезно учитывать теоретический элемент, называемый «индуктор намагничивания».

Ток намагничивания - это ток, который будет протекать через первичную обмотку трансформатора, когда вторичная обмотка разомкнута (разгружена). Другими словами, ток намагничивания не создает тока во вторичной обмотке. Как показано на рисунке 6 . , трансформаторы моделируются с этим током намагничивания, протекающим через «индуктор намагничивания» в первичной обмотке. Обычно это используется для моделирования характеристик намагничивания материала сердечника.

6. На этой схеме трансформатора (слева) и эквивалентной схеме (справа) ток намагничивания протекает через воображаемую катушку индуктивности LM параллельно первичной обмотке. LM моделирует магнитные характеристики трансформатора.

Анализ потерь

Потери в магнитных компонентах вносят значительный вклад в общие потери в источнике питания. Потери в сердечнике зависят от магнитных свойств материала и включают потери на гистерезис и потери на вихревые токи. Потери в меди возникают из-за сопротивления обмоток; это также зависит от нагрузки, подключенной ко вторичной обмотке трансформатора.

Для оценки потерь в сердечнике используется ряд методов. Еще один популярный метод - эмпирическая формула Стейнмеца, которая связывает потери в сердечнике с частотой и плотностью потока:

где k, a и b - константы для материала сердечника, обычно взятые из таблицы данных производителя сердечника. Таблицы данных могут также давать оценки потерь на различных частотах и ​​плотностях потока, которые обычно задаются в ответ на синусоидальное возбуждение. Однако в энергетических приложениях компоненты обычно управляются несинусоидальными стимулами, что вызывает неопределенность в таких приближениях (рис. 7) .

7. Пример измерения общих магнитных потерь.

Программное обеспечение Scope можно использовать для вычисления общих магнитных потерь путем усреднения мощности форм сигналов напряжения и тока, среднего (v (t) ∙ i (t)). При использовании этого метода общие магнитные потери включают потери в меди и в сердечнике. Это показано на рис. 7, где измерение магнитных потерь дает общие магнитные потери, включая потери в сердечнике и меди. Вы можете найти потери в сердечнике из таблицы данных производителя компонентов и вычислить потери в меди, вычтя потери в сердечнике из общих магнитных потерь.

С помощью осциллографов можно рассчитать магнитные потери в индуктивности с одной обмоткой, в дросселе с несколькими обмотками или даже в трансформаторе. В случае однообмоточного трансформатора подключается дифференциальный зонд для измерения напряжения на первичной обмотке. Токовый пробник измеряет ток через трансформатор. Программное обеспечение для измерения мощности может автоматически рассчитать потери магнитной мощности.

Катушки индуктивности и трансформаторы играют ключевую роль в импульсных источниках питания, включая фильтры, повышающие / понижающие, изоляцию, накопление энергии и колебания. Чтобы убедиться, что они работают должным образом, необходимы тщательные внутрисхемные измерения, проводимые в рабочих условиях. Как мы уже говорили, современные осциллографы, оснащенные программным обеспечением для анализа мощности, обеспечивают быструю настройку и улучшенную воспроизводимость.