In-Circuit тестирование индукторов и трансформаторов для импульсных источников питания

Обзор

Автор: Уилсон Ли, менеджер технического маркетинга Tektronix.

Индукторы и трансформаторы — опора импульсных источников питания (SMPS). Для гарантии надежной работы их производительность должна быть верифицирована in-circuit под реальными операционными условиями.

Хотя даташиты компонентов и симуляционные модели направляют дизайн, паразитные эффекты, температурные колебания и вариации сигналов часто смещают фактическое поведение. Статья проходит через основы и практические шаги для измерения индукторов и трансформаторов непосредственно в работающем SMPS, используя современные осциллографы, зонды и B-H кривую анализ.

Теория индуктора

Законы Фарадея и Ленца описывают отношение между током через индуктор и напряжением на нем:

Переупорядочивание и интегрирование дает:

На практике можно извлечь индуктивность, записывая формы напряжения и тока осциллографом, поддерживающим дифференциальные зонды напряжения, токовые зонды и X-Y построение. Этот временной подход захватывает истинную индуктивность под фактической формой сигнала, амплитудой и частотой, присутствующей в источнике.

Реальные индукторы демонстрируют зависимость от тока, температуры и частоты, поэтому их значение может дрейфовать во время работы.

Рисунок 1. Базовый индуктор состоит из катушки на ферромагнитном сердечнике. Ток I (А) течет через N витков, и индуктивность описывает, как этот ток индуцирует магнитный поток.

Например, индуктивностьтороида может быть приближена:

где µ — проницаемость сердечника (Гн/м), N — число витков, r — радиус сердечника (см), A — площадь поперечного сечения (см²). Поскольку N² доминирует, число витков — главный рычаг индуктивности. Выбор сердечника с высокой µ позволяет меньший физический размер и меньшие потери.

Материал и геометрия сердечника поэтому диктуют индуктивность по всем операционным точкам и результирующие потери мощности.

Измерения индуктивности

Проектировщики обычно верифицируют индуктивность LCR-метром после производства. LCR-метры возбуждают компонент узкополосным синусоидом, что адекватно для быстрой проверки, но не предсказывает in-circuit производительность. В SMPS возбуждение типично высокочастотным, несинусоидальным импульсом, поэтому in-circuit измерение критично.

Для измерения индуктивности in-circuit, подключите дифференциальный зонд напряжения через обмотку и токовый зонд к той же обмотке. Программное обеспечение анализа мощности осциллографа интегрирует напряжение во времени и делит на изменение тока, автоматически удаляя DC-смещения и усредняя по многим циклам.

При измерении трансформатора избегайте нагружения вторичной обмотки. Измерьте первичную индуктивность без нагрузки для получения магнитизирующей индуктивности; нагружение вторичной изменит эффективную индуктивность из-за взаимной индукции.

Рисунок 2. Средняя индуктивность (Гн) получается из наклона тока (CH2) против интегрированного напряжения (CH1).

Рисунок 3. График I vs ∫V также раскрывает любое DC-смещение, накапливающееся по циклам.

Измерения B-H кривых

Магнитные компоненты в SMPS должны работать в линейной области гистерезисного цикла для избежания насыщения и избыточных потерь. Однако операционные условия могут варьироваться с изменением нагрузки, температуры и пусковых переходов, делая дизайн-тайм предсказание сложным.

B-H кривые, поставляемые многими производителями сердечников, иллюстрируют отношение между магнитизирующей силой H (А/м) и индукцией B (Тл). Они раскрывают ключевые параметры:

• Проницаемость (µ) — наклон B-H кривой, указывающий, как эффективно сердечник конвертирует H в B.
• Насыщающая индукция — точка, где дополнительный H больше не увеличивает B.
• Гистерезисные характеристики — ширина петли, коррелирующая с потерями в сердечнике. Мягкие магнитные материалы минимизируют остаточную индукцию (Br) и коэрцитивную силу (Hc).

Индикаторы нестабильности включают пиковую B, приближающуюся к пределу насыщения, или B-H петлю, сдвигающуюся между циклами.

Осциллограф может сгенерировать B-H график, измеряя напряжение через и ток по обмотке, затем вычисляя B и H из:

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / (l)

где l — длина магнитного пути. Аналитическое ПО осциллографа автоматизирует этот расчет.

Рисунок 4. Магнитные измерения на трансформаторе с множественными вторичными обмотками. Оранжевая форма — комбинированный ток при возбуждении вторичных обмоток.

B-H кривые для трансформаторов

Когда трансформатор нагружен, часть первичного тока питает вторичную. Для изоляции магнитизирующего тока, моделируют трансформатор с воображаемым индуктором Lm, параллельным первичной. Lm представляет магнитное поведение сердечника и несет только магнитизирующий ток.

Рисунок 5. Эквивалентная схема с магнитизирующим индуктором Lm параллельно первичной.

Анализ потерь

Магнитные потери доминируют в бюджете эффективности SMPS. Потери в сердечнике, включающие гистерезис и вихревые токи, зависят от индукции и частоты, в то время как медные потери возникают от сопротивления обмоток.

Эмпирическая формула Штайнмеца оценивает потери в сердечнике:

где k, a, b — материаловые константы, поставляемые производителем сердечника. Даташиты часто предоставляют значения потерь для синусоидального возбуждения, но в SMPS возбуждение несинусоидально, поэтому on-the-fly измерение предпочтительнее.

Рисунок 6. Функция анализа мощности осциллографа усредняет произведение v(t) × i(t) для получения общих магнитных потерь, включающих медные и сердечные потери. Вычитание сердечных потерь производителя дает медные потери.

Осциллографы могут выполнять этот расчет для однообмоточных индукторов, многообмоточных индукторов или трансформаторов. Для трансформатора дифференциальный зонд на первичной и токовый зонд на первичной (и вторичной если нужно) подают ПО, которое выдает потери в ваттах.

Подводя итог, индукторы и трансформаторы критичны для SMPS производительности — фильтрация, изоляция, накопление энергии, тайминг. Точное in-circuit измерение с современными осциллографами и ПО анализа мощности обеспечивает, что эти компоненты соответствуют дизайн-спецификациям и надежно работают под всеми условиями.