电感线圈在开关电源中的作用

开关模式转换器或开关电源最关键的元件是电感器。

在短暂接通期间（t），能量以磁场的形式存储在电感器的铁芯材料中_在…上)通过连接的开关元件（如MOSFET或BJT）进行切换。

开关电源中电感的工作原理

在此接通期间，电压V施加在电感器L上，通过电感器的电流随时间变化。

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，其在数学上通过以下公式表示：

di/dt=V/L

当开关关闭时，储存在电感器中的能量被释放或“踢回”。

由于没有电流或电压来维持磁场，绕组上产生的磁场会崩溃。在这一点上，塌陷的磁场会急剧“切断”绕组，从而形成一个反向电压，其极性与最初施加的开关电压相反。

该电压使电流沿同一方向移动，从而在电感绕组的输入和输出之间发生能量交换。

以上述方式实现电感器可以被视为楞次定律的主要应用。另一方面，一开始似乎没有能量可以像电容器一样“无限”地存储在电感器中。

想象一下，一个用超导导线制造的电感器。一旦被开关电位“充电”，储存的能量可能会以磁场的形式永远保持。

然而，快速提取这种能量可能是一个完全不同的问题。电感器内可储存的能量大小受电感器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。当电感器达到饱和时，磁芯材料就失去了进一步磁化的能力。

材料内部的所有磁偶极子对齐，因此没有更多的能量能够作为磁场在其内部积累。材料的饱和磁通密度通常会受到磁芯温度变化的影响，在100°C时，磁芯温度可能比25°C时的原始值降低50%

准确地说，如果不防止SMPS电感器磁芯饱和，由于电感效应，通过的电流往往变得不受控制。

现在，这仅受到绕组电阻和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接通时间控制，该时间被适当限制，以防止铁芯饱和。

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，电感器上的电流和电压都经过适当计算。电流随时间的变化成为SMPS设计中的关键因素。如下所示：

i=（Vin/L）t_在…上

上述公式考虑了与电感器串联的零电阻。然而，实际上，与开关元件、电感器以及PCB轨道相关的电阻都会限制通过电感器的最大电流。

假设总电阻为1欧姆，这似乎很合理。

因此，通过电感器的电流现在可以解释为：

i=（V）_在里面/R）x（1-e）^{-t_在…上提单})

岩心饱和度图

参考下图，第一张图显示了无串联电阻的10µH电感器中的电流差，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时间范围内快速持续地激增。

显然，这可能不可行，但报告确实强调，电感器中的电流可能很快达到实质性的潜在危险值。只要电感器保持在饱和点以下，该公式就有效。

一旦电感铁芯达到饱和，电感浓度就无法优化电流上升。因此，电流上升非常快，这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。

在较小电感器的情况下，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著的能量水平。相反，较大的电感器值可能会显示缓慢的电流上升，但无法在相同的规定时间内保持较高的能量水平。

这种效应可以在第二和第三张图中看到，前者显示了当使用10V电源时，10µH、100µH和1 mH电感器中的电流上升。

图3显示了具有相同值的电感器随时间存储的能量。

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，尽管现在与电感器串联的是1欧姆的串联电阻。

第五张图显示了为相同的电感器存储的能量。

在这里，很明显，通过10µH电感器的电流在大约50毫秒内迅速上升到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100µH和1 mH电感器的电流上升，并且在相同的时间内，串联电阻对存储能量的影响不大。