หลักพื้นฐานการออกแบบแหล่งจ่ายไฟ: พฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

บทนำ

ในบทความแนะนำนี้ เราจะพูดถึงการทำงานของตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด หากคุณเพิ่งเริ่มออกแบบแหล่งจ่ายไฟและสงสัยว่าทำไมไดโอดจึงดูเหมือนมีไบอัสไปข้างหน้า ทั้งที่ไม่ควรเป็นเช่นนั้น ก็เป็นไปได้สูงว่าสาเหตุน่าจะมาจากตัวเหนี่ยวนำ บทความนี้เหมาะสำหรับคุณ

ทำความเข้าใจเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำ

ในขั้นต้น เราศึกษาเกี่ยวกับตัวเหนี่ยวนำในมหาวิทยาลัยทั้งในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับและไฟฟ้ากระแสตรง ในวงจรไฟฟ้ากระแสสลับ เราให้อินพุตแบบไซน์แก่ตัวเหนี่ยวนำและสังเกตการเปลี่ยนแปลงของแอมพลิจูดและเฟส ในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง เราให้อินพุตแบบสเต็ปหนึ่งหน่วยและศึกษาการเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นในกระแสหรือแรงดันไฟฟ้าที่ตัวเหนี่ยวนำ

อย่างไรก็ตาม พฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมดแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากวงจร AC หรือ DC ธรรมดาที่ศึกษาในมหาวิทยาลัย

หลักการเหนี่ยวนำพื้นฐาน

ตัวเหนี่ยวนำจะพยายามรักษาให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำอยู่เสมอ โดยจะต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าโดยสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ ตัวอย่างเช่น หากมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ 1 แอมแปร์ และพยายามเปลี่ยนแปลง ตัวเหนี่ยวนำจะสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับเพื่อต้านการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว หลักการนี้สามารถเปรียบเทียบได้กับการผลักรถหนักออกจากที่จอดอยู่เฉยๆ กล่าวคือ ในตอนแรกจะต้านการเคลื่อนที่ และเมื่อเคลื่อนที่แล้ว จะต้านการหยุดนิ่ง

ตัวเหนี่ยวนำในวงจรไฟฟ้ากระแสตรง

ลองพิจารณาวงจร DC ง่ายๆ ที่มีแบตเตอรี่ 1V สวิตช์ ตัวต้านทาน 1 โอห์ม และตัวเหนี่ยวนำ ในตอนแรกจะไม่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวเหนี่ยวนำ เมื่อปิดสวิตช์ กระแสไฟฟ้า 1V จะถูกจ่าย และกระแสไฟฟ้าจะเริ่มไหล ตัวเหนี่ยวนำจะต้านการเปลี่ยนแปลงจาก 0A เป็น 1A โดยสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ (1V) ซึ่งจะทำให้กระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้นแบบลอการิทึมเมื่อเวลาผ่านไป

ตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่ง

ในแหล่งจ่ายไฟ ความต้านทานจะเกือบเป็นศูนย์โอห์ม และกระแสไฟฟ้าจะไม่เป็นไปตามเส้นโค้งลอการิทึมเดียวกัน แต่จะเพิ่มขึ้นเป็นเส้นตรง ทำให้เกิดรูปคลื่นกระแสไฟฟ้าเป็นรูปสามเหลี่ยม การเปิดและปิดกระแสไฟฟ้าทำให้เกิดรูปสามเหลี่ยมนี้ ซึ่งทำให้การวิเคราะห์โดยใช้สมการเส้นตรง (y = mx + c) ง่ายขึ้น

ตัวอย่างการวิเคราะห์วงจร

ลองพิจารณาวงจรที่มีแหล่งจ่าย 1V สวิตช์ ตัวต้านทาน 1 โอห์ม ตัวเหนี่ยวนำ และตัวต้านทาน 2 โอห์มเพิ่มเติมที่ควบคุมโดยสวิตช์อีกตัวหนึ่ง เมื่อสวิตช์แรกปิด กระแสไฟจะเพิ่มขึ้นเป็น 1A หากสวิตช์นี้เปิดและสวิตช์ที่สองปิดพร้อมกัน ตัวเหนี่ยวนำจะบังคับให้กระแสไฟไหลผ่านเส้นทางใหม่ที่มีความต้านทาน 3 โอห์ม สร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้าย้อนกลับ 3V เพื่อรักษากระแสไฟ 1A ไว้

สวิตช์เชิงกลเทียบกับสวิตช์เซมิคอนดักเตอร์

สวิตช์เชิงกลสามารถเปิดได้ในทันที ทำให้เกิดค่า EMF ด้านหลังที่สูง ซึ่งสามารถทำให้ไอออนในอากาศและทำให้เกิดประกายไฟได้ นี่คือสาเหตุที่แรงดันไฟฟ้ากระแสสลับของสวิตช์จึงสูงกว่าแรงดันไฟฟ้ากระแสตรง อย่างไรก็ตาม สวิตช์เซมิคอนดักเตอร์จะใช้เวลาจำกัดในการเปิดและปิด ซึ่งส่งผลต่อพฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำ สมการมาตรฐานสำหรับค่า EMF ด้านหลังของตัวเหนี่ยวนำคือ E = -L (di/dt) ซึ่งได้มาจากกฎของฟาราเดย์และเลนซ์

พฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟจริง

ในแหล่งจ่ายไฟที่ใช้งานจริง การสลับ MOSFET อย่างรวดเร็วสามารถสร้างแรงดันไฟฟ้ากระชากสูงได้เนื่องจากค่า di/dt สูง ตัวอย่างเช่น การสลับจาก 10A เป็น 0A ใน 10 นาโนวินาทีจะสร้างคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าย้อนกลับขนาดใหญ่ ซึ่งแสดงออกมาในรูปของสัญญาณรบกวนและสัญญาณกระชาก

สรุป

ในบทความนี้ เราได้กล่าวถึงพฤติกรรมของตัวเหนี่ยวนำในแหล่งจ่ายไฟแบบสวิตช์โหมด DC-DC รูปร่างกระแสสามเหลี่ยม ทิศทางของ EMF กลับ และผลกระทบของ di/dt ที่สูงต่อแรงดันไฟฟ้ากระชาก