电感线圈在开关电源系统中的作用

开关模式转换器或SMPS最关键的元件是电感。

在短暂的导通期间（t上） 通过连接的开关元件（如 MOSFET 或 BJT）进行切换。

电感在开关电源系统中的工作原理

在此导通周期内，电压V施加在电感L上，通过电感的电流随时间变化。

这种电流变化受到电感的“限制”，因此我们发现相关术语扼流圈通常用作SMPS电感的替代名称，其数学上通过公式表示：

di/dt=V/L

当开关关闭时，存储在电感器中的能量被释放或“反冲”。

绕组两端产生的磁场由于没有电流或电压来保持磁场而坍塌。此时的坍缩场急剧“切入”绕组，从而产生与最初施加的开关电压具有相反极性的反向电压。

该电压使电流沿同一方向移动。因此，电感绕组的输入和输出之间发生了能量交换。

以上述解释的方式实现电感器可以看作是楞次定律的主要应用。另一方面，起初似乎没有能量可以像电容器那样“无限”存储在电感器中。

想象一下使用超导线构建的电感器。一旦用开关电位“充电”，储存的能量可能会以磁场的形式永远保持下去。

然而，快速提取这种能量可能是一个完全不同的问题。电感器内可以存储多少能量受电感磁芯材料的饱和磁通密度Bmax的限制。

这种材料通常是铁氧体。当电感器达到饱和状态时，磁芯材料就会失去进一步磁化的能力。

材料内部的所有磁偶极子都对齐，因此没有更多的能量能够积聚为内部的磁场。材料的饱和磁通密度通常受核心温度变化的影响，在100°C时可能比25°C时的原始值下降50%

确切地说，如果不防止SMPS电感磁芯饱和，则由于电感效应，通过的电流往往会变得不受控制。

现在，这仅受绕组电阻和源电源能够提供的电流量的限制。这种情况通常由开关元件的最大导通时间控制，该时间受到适当限制以防止内核饱和。

计算电感电压和电流

为了控制和优化饱和点，在所有SMPS设计中，电感两端的电流和电压都需要适当计算。电流随时间的变化成为SMPS设计的关键因素。这是由以下人员给出的：

i = （Vin/L）t上

上述公式考虑了与电感串联的零电阻。然而，实际上，与开关元件、电感器以及PCB走线相关的电阻都将有助于限制通过电感器的最大电流。

让我们假设一个电阻总共是 1 欧姆，这似乎很合理。

因此，通过电感的电流现在可以解释为：

i = （V在/ R）x （1 - e-吨上R/L）

核心饱和度图

参考下图，第一张图显示了通过无串联电阻的10 μH电感器的电流差，以及串联插入1欧姆时的电流差。

使用的电压为 10 V。如果没有任何串联“限制”电阻，可能会导致电流在无限的时间范围内快速连续地浪涌。

显然，这可能不可行，但该报告确实强调电感中的电流可能很快达到相当大的潜在危险幅度。只要电感保持在饱和点以下，该公式才有效。

一旦电感磁芯达到饱和，电感集中就无法优化电流上升。因此，电流上升得非常快，这完全超出了方程的预测范围。在饱和期间，电流被限制在通常由串联电阻和施加电压确定的值。

对于较小的电感器，通过它们的电流增加非常快，但它们可以在规定的时间范围内保持显着的能量水平。相反，较大的电感值可能会显示缓慢的电流上升，但这些电感值无法在相同的规定时间内保持高水平的能量。

这种效应可以在第二张和第三张图中看到，前者显示了使用10 μH电源时10 μH、100 μH和1 mH电感的电流上升。

图3显示了具有相同值的电感器随时间储存的能量。

在第四张图中，我们可以看到通过相同电感器的电流上升，通过施加10 V，尽管现在与电感串联插入1 Ω的串联电阻。

第五张图显示了相同电感器存储的能量。

很明显，通过10 μH电感的电流在大约50 ms内迅速飙升至10 A最大值。然而，由于1欧姆电阻，它只能保持接近500毫焦耳。

话虽如此，通过100 μH和1 mH电感的电流上升，并且存储的能量在相同时间内往往不受串联电阻的影响。