电感线圈在SMPS中的作用

开关模式转换器或SMPS中最关键的元件是电感。

在短暂的ON周期(t_在）通过连接的开关元件（如MOSFET或BJT）切换。

电感如何在SMPS中工作

在这个ON周期电压，V，被施加在电感器上，L，通过电感器的电流随时间变化。

电感的当前变化是“限制”，因此我们发现通常用作SMPS电感器的替代名称的相关术语扼流圈，这些名称是通过公式数在数学上表示的：

di / dt = V / L

关闭开关时，存储在电感器中的能量被释放或“踢回”。

由于没有电流流或电压来保持场的绕组，绕组产生的磁场坍塌。此时的折叠场通过绕组急剧地“切割”，该绕组构成具有与最初施加的开关电压相反极性的反向电压。

这个电压使电流向同一方向移动。这样，在电感线圈的输入和输出之间就发生了能量交换。

以上述解释的方式实现电感可以被看作是伦茨定律的主要应用。另一方面，乍一看似乎没有能量可以像电容一样“无限”存储在电感器中。

想象一下使用超导线构建的电感。一旦带有开关电位的“充电”，储存的能量可能会以磁场的形式保持在永久上。

然而，快速提取这种能量可能是一个完全不同的问题。多少能量可以被储存在一个电感器内是受限制的饱和磁通密度，Bmax，电感器的核心材料。

这种材料通常是铁氧体。电感器运行到饱和的那一刻，核心材料损失了其磁化的能力进一步。

材料内的所有磁偶极块都变为对齐，从而不再能够作为其内部的磁场累积。材料的饱和磁通密度通常受核心温度的变化影响，其可能在100°C下降50％，而不是25°C的原始值

准确地说，如果SMPS电感铁芯不防止饱和，通过的电流往往会由于电感效应而变得不受控制。

现在，这仅仅受到绕组的电阻和源供电的电流量能够提供的限制。这种情况通常由开关元件的最大导通时间控制，该开关元件适当地限制，以防止核心饱和。

计算电感的电压和电流

为了控制和优化饱和点，因此在所有SMPS设计中适当地计算电感器两端的电流和电压。它是当前随时间变化的变化，成为SMPS设计中的关键因素。这是：

我=（vin / l）t_在

上述公式考虑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轨道相关联的电阻都将有助于通过电感器限制最大电流。

让我们假设抵抗这是总共1欧姆，这似乎相当合理。

因此，通过电感器的电流现在可以被解释为：

我=（v_在/ R)x (1 - e^{- t_在R / L}的）

核心饱和图

参考如下图所示，第一个图显示了没有串联电阻的10µH电感和串联插入1欧姆时的电流差。

使用的电压是10伏。如果没有任何串联的“限制”电阻，可以导致电流在无限的时间范围内快速和连续的激增。

显然，这可能是不可行的，但报告确实强调，电感器中的电流可能很快达到实质性和潜在的危险程度。这个公式仅在电感保持在饱和点以下时有效。

一旦电感铁芯达到饱和，感应浓度无法优化电流上升。因此，电流上升得非常快，完全超出了该方程的预测范围。在饱和过程中，电流被限制在一个由串联电阻和施加电压通常确定的值。

在小电感的情况下，通过它们的电流增长真的很快，但它们可以在规定的时间内保留显著水平的能量。相反，较大的电感值可能显示缓慢的电流上升通过，但这些不能保持高水平的能量在相同的规定的时间。

这种效应可以在第二和第三张图中看到，前者显示当10V供电时，10µH、100µH和1 mH感应器的电流都上升了。

图3表示随时间存储的能量，适用于具有相同值的电感器。

在第四图中，我们可以通过施加10 V，看到电流通过相同的电感器升高，虽然现在具有1欧姆的串联电阻与电感器串联。

第五张图显示了同样的电感所储存的能量。

这里，显而易见的是，通过10μH电感器的电流快速朝向大约50ms的最大值迅速飙升。然而，由于1欧姆电阻，它能够仅保留靠近500毫克的距离。

已经说明，电流通过100μH和1MH电感器上升，并且储存的能量往往不受串联电阻的合理不受相同的时间。