תפקיד סליל המשרן ב- SMPS

האלמנט החשוב ביותר של ממיר מצב מיתוג או SMPS הוא המשרן.

אנרגיה נשמרת בצורה של שדה מגנטי בחומר הליבה של המשרן במהלך תקופת ה- ON הקצרה (t_עַל) עבר דרך אלמנט המיתוג המחובר כגון MOSFET או BJT.

כיצד עובד המשרן ב- SMPS

במהלך תקופת הפעלה זו מתח, V, מוחל על פני המשרן, L, והזרם דרך המשרן משתנה עם הזמן.

השינוי הנוכחי הזה 'מוגבל' על ידי ההשראה, ולכן אנו מוצאים את המונח הקשור חנק המשמש בדרך כלל כשם חלופי למשרן SMPS, המיוצג באופן מתמטי באמצעות הנוסחה:

di / dt = V / L

כשהמתג כבוי, האנרגיה המאוחסנת במשרן משתחררת או 'בועטת לאחור'.

שדה מגנטי שהתפתח על פני הפיתולים מתמוטט בגלל היעדר זרם זרם או מתח להחזיק את השדה. השדה המתמוטט בנקודה זו 'חותך' בחדות את הפיתולים, הבונה מתח הפוך בעל קוטביות הפוכה למתח המיתוג שהופעל במקור.

מתח זה גורם לזרם לנוע באותו כיוון. חילופי אנרגיה מתרחשים לפיכך בין קלט ופלט של סליל המשרן.

ניתן להעיד על יישום המשרן באופן שהוסבר לעיל כשימוש עיקרי בחוק לנץ. מצד שני, בהתחלה נראה כי לא ניתן לאחסן שום אנרגיה 'אינסוף' בתוך משרן בדיוק כמו קבלים.

דמיין משרן שנבנה באמצעות חוט מוליך-על. לאחר 'טעינה' עם פוטנציאל מיתוג, האנרגיה המאוחסנת עשויה להישמר לנצח בצורה של שדה מגנטי.

עם זאת, הפקה מהירה של אנרגיה זו יכולה להיות נושא אחר לחלוטין. כמה אנרגיה שיכולה להיחסם במשרן מוגבלת על ידי צפיפות שטף הרוויה, Bmax, של חומר הליבה של המשרן.

חומר זה הוא בדרך כלל פריט. ברגע שהמשרן נקלע לרוויה, חומר הליבה מאבד את יכולתו להתמגנט עוד יותר.

כל הדיפולים המגנטיים שבתוך החומר מתיישרים, וכך אין יותר אנרגיה שמסוגלת להצטבר כשדה מגנטי בתוכו. צפיפות שטף הרוויה של החומר מושפעת בדרך כלל משינויים בטמפרטורת הליבה, שעשויים לרדת ב 50% ב 100 מעלות צלזיוס מהערך המקורי שלה ב 25 מעלות צלזיוס.

אם לדייק, אם לא מונעים מליבת המשרן SMPS, הזרם דרך נוטה להיות בלתי נשלט בגלל האפקט ההשראי.

זה רק הופך להיות מוגבל רק עם התנגדות הפיתולים וכמות הזרם שמספק אספקת המקור. המצב נשלט בדרך כלל על ידי זמן ההפעלה המקסימלי של אלמנט המיתוג המוגבל כראוי למניעת רוויה של הליבה.

חישוב מתח וזרם משרן

כדי לשלוט ולייעל את נקודת הרוויה, הזרם והמתח על פני המשרן מחושבים לפיכך כראוי בכל תכנוני ה- SMPS. השינוי הנוכחי עם הזמן הופך להיות גורם המפתח בתכנון SMPS. זה ניתן על ידי:

i = (Vin / L) t_עַל

הנוסחה שלעיל מחשיבה התנגדות אפס בסדרה עם המשרן. עם זאת, למעשה, ההתנגדות הקשורה לאלמנט המיתוג, המשרן, כמו גם מסלול ה- PCB, יתרמו כולם להגבלת הזרם המרבי באמצעות המשרן.

בואו נניח שהתנגדות זו תהיה בסך הכל אוהם 1, שנראה סביר למדי.

לפיכך ניתן לפרש את הזרם דרך המשרן כ:

i = (V._ב/ R) x (1 - ה^{-t_עַלR / L.})

גרפי רוויה ליבה

בהתייחס לגרפים המוצגים להלן הגרף הראשון מראה את ההבדל בזרם דרך משרן של 10 µH ללא התנגדות סדרתית, וכאשר 1 אוהם מוחדר בסדרה.

המתח המשמש הוא 10 וולט. במקרה שאין התנגדות 'מגבילה' מסדרה כלשהי, עלולה לגרום לזרם לעלות במהירות ובאופן רציף לאורך זמן אינסופי.

ברור שזה לא אפשרי, אולם הדו'ח מדגיש כי הזרם במשרן יכול להגיע במהירות לעוצמה משמעותית ועלולה להיות מסוכנת. נוסחה זו תקפה רק כל עוד המשרן נשאר מתחת לנקודת הרוויה.

ברגע שליבת המשרן מגיעה לרוויה, הריכוז האינדוקטיבי אינו מסוגל לייעל את העלייה הנוכחית. לכן הזרם עולה מהר מאוד וזה פשוט מעבר לטווח החיזוי של המשוואה. במהלך הרוויה, הזרם מוגבל לערך שנקבע בדרך כלל על ידי התנגדות הסדרה והמתח המופעל.

במקרה של משרנים קטנים יותר העלייה בזרם דרכם ממש מהירה, אך הם יכולים לשמור על רמות אנרגיה משמעותיות בפרק זמן שנקבע. נהפוך הוא, ערכי משרנים גדולים יותר עשויים להראות עליית זרם איטית, אך אלה אינם מסוגלים לשמור על רמות אנרגיה גבוהות באותו זמן שנקבע.

ניתן לחזות באפקט זה בתרשים השני והשלישי, הראשון המדגים עליית זרם במשרנים של 10 µH, 100 µH ו- 1 mH כאשר נעשה שימוש באספקת 10 V.

גרף 3 מציין את האנרגיה המאוחסנת לאורך זמן עבור משרנים עם אותם ערכים.

בגרף הרביעי אנו יכולים לראות את העלייה הנוכחית באמצעות אותם משרנים, על ידי הפעלת 10 וולט אם כי כעת מכניסים סדרת התנגדות של 1 אוהם בסדרה עם המשרן.

הגרף החמישי מדגים את האנרגיה המאוחסנת עבור אותם משרנים.

כאן ניכר שזרם זה דרך המשרן של 10 µH מתנשא במהירות לעבר הערך המרבי של 10 A בכ- 50 מילישניות. עם זאת, כתוצאה מנגד אחד אוהם הוא מסוגל לשמור רק קרוב ל 500 מילי-ג'ואול.

עם זאת, זרמי דרך משרנים של 100 µH ו- 1 mH עולים והאנרגיה המאוחסנת נוטה להיות בלתי מושפעת במידה סבירה מהתנגדות הסדרה לאורך אותה פרק זמן.