In-circuit inductor- en transformatormetingen uitvoeren in SMPS

door Wilson Lee, Technical Marketing Manager bij Tektronix.

Inductoren en transformatoren vervullen een sleutelrol in schakelende voedingen. Om ervoor te zorgen dat ze presteren zoals verwacht, zijn grondige in-circuitmetingen nodig die onder bedrijfsomstandigheden worden uitgevoerd. Dit is wat je moet weten.

In schakelende voedingen (SMPS) spelen magnetische componenten, namelijk inductoren en transformatoren, een cruciale rol. Een groot deel van het SMPS-ontwerpproces is gebaseerd op componentspecificaties en simulatiemodellen. Vanwege de werkelijke signaalomstandigheden, parasitaire factoren, temperatuur en andere omgevingsfactoren die de prestaties van magnetische componenten beïnvloeden, is het echter mogelijk dat een voeding niet precies werkt zoals voorspeld door specificaties en simulaties. Als gevolg hiervan zijn in-circuit metingen van inductoren en transformatoren onder bedrijfsomstandigheden van cruciaal belang om betrouwbare real-world prestaties te garanderen.

Met het juiste gereedschap bij de hand hoeft het uitvoeren van deze metingen niet moeilijk of tijdrovend te zijn. We zullen eerst de basistheorie van inductoren en transformatoren bespreken, vooral als het gaat om in-circuit metingen. We zullen dan het gebruik van de oscilloscoop en sondes tijdens de werking van de voeding doornemen en het gebruik van inductiemetingen en B-H-curven onderzoeken om inzicht te krijgen in de prestaties.

Inductortheorie

De wetten van Faraday en Lentz vertellen ons dat de stroom door een inductor en de spanning over de inductor gerelateerd zijn als:

Dit toont aan dat inductantie kan worden gezien als de mate waarin een veranderende stroom resulteert in een tegengestelde spanning. Door het teken te integreren, te herschikken en te negeren, kunnen we het volgende krijgen:

Hieruit blijkt dat inductantie kan worden bepaald als een functie van spanning en stroom in de tijd. Een dergelijke tijdsdomeinmeting kan het beste worden uitgevoerd met een oscilloscoop die is uitgerust met een spanningssonde, stroomsonde en de mogelijkheid om integratie uit te voeren en X tegen Y uit te tekenen.

In tegenstelling tot een theoretische inductor, hangt de inductantiewaarde van een echte inductor af van stroomniveaus, temperatuur en bedrijfsfrequentie. In een voeding variëren deze kenmerken in realtime met de bedrijfsomstandigheden.

1. Een basisinductor is een spoel gewikkeld op een gesloten ferromagnetische kern. Stroom van I ampère stroomt door de spoel, die N windingen heeft. De inductantie van de spoel beschrijft de relatie tussen de stroom die in de spoel vloeit en de magnetische flux.

Als voorbeeld de inductantie van de torus in Figuur 1 kan worden benaderd door:

waarbij µ de magnetische permeabiliteit van de kern is; N is het aantal windingen van de draad op de ringkern; r is de straal van de kern vanaf de gestippelde middellijn in cm; en A is het dwarsdoorsnede-oppervlak van de kern in cm ² (aangenomen dat deze klein is ten opzichte van de straal van de ringkern).

Aangezien dit aantal windingen in het kwadraat is, levert het de grootste bijdrage aan inductie. Verder speelt de doorlaatbaarheid van het kernmateriaal een belangrijke rol. De waarde van de inductantie is echter ook gerelateerd aan de fysieke grootte van het onderdeel. Om de grootte van de inductor te minimaliseren, gebruiken de meeste inductoren in de elektronica kernmaterialen die een veel hogere permeabiliteit hebben dan lucht.

Kortom, de kenmerken van het kernmateriaal en de geometrie zijn van cruciaal belang bij het bepalen van de inductantie onder verschillende bedrijfsomstandigheden, evenals het vermogensverlies in het apparaat.

Inductiemetingen

Ontwerpers van voedingen gebruiken doorgaans simulatietechnieken om de juiste inductorwaarde voor een ontwerp te bepalen. Nadat de inductor is vervaardigd, is het gebruikelijk om de inductantie te verifiëren met behulp van een LCR-meter. De meeste LCR-meters stimuleren de component echter met sinusoïden over een smal frequentiebereik, dus hoewel dit een goede techniek is om te bevestigen dat de component ongeveer de juiste waarde heeft, is het een slechte voorspeller van de prestaties in het circuit.

De inductantiekarakteristieken van een inductor zijn afhankelijk van het excitatiesignaal van de stroom- en spanningsbron, de golfvorm en de bedrijfsfrequentie, die kunnen variëren in realtime bedrijfsomstandigheden. Daarom is het belangrijk om het gedrag van een inductor te meten en te observeren in de dynamisch veranderende omgeving van de voeding.

Deze metingen worden gedaan door de spanning over het apparaat te meten, meestal met een differentiële spanningssonde. Een stroomtang wordt typisch gebruikt om de stroom door de magnetische component te meten. Om de inductantie te bepalen, integreert op scope gebaseerde energieanalysesoftware de spanning in de tijd en deelt deze door de verandering in stroom. Het verwijdert ook eventuele DC-offset en gebruikt middeling om de inductantiewaarde te berekenen.

Bij het meten van de inductantie van een transformator is het belangrijk om de secundaire wikkeling niet te belasten. Het meten van de inductantie bij de primaire wikkeling onder onbelaste toestand is gelijk aan het meten van de inductantie voor een inductor met één wikkeling. Wanneer je de inductantie meet van de gekoppelde inductor met meerdere wikkelingen op dezelfde kern, zal de gemeten waarde van de inductantie afwijken van de werkelijke waarde, vanwege de invloed van de stroom op de andere wikkeling(en).

In Figuur 2 , de inductantiemeting geeft de gemiddelde inductantiewaarde in henries. De gele golfvorm (CH1) is de spanning over de inductor en de blauwe golfvorm (CH2) is de stroom door de inductor. De grafiek aan de linkerkant toont stroom, i versus ∫vdt, waarvan de helling inductantie is.

2. Gemiddelde inductantiewaarde in henries.

Figuur 3 toont de I vs. ∫V-meting, die extra inzicht geeft in de prestaties van de inductor. Hier kunt u elke dc-bias zien terwijl deze zich opbouwt over meerdere cycli. De gele golfvorm (CH1) is de spanning over de inductor en de blauwe golfvorm (CH2) is de stroom door de inductor.

3. Dit toont de I vs. ∫V-meting, die extra inzicht geeft in de prestaties van de inductor. Hier kunt u elke dc-bias zien terwijl deze zich opbouwt over meerdere cycli. De gele golfvorm (CH1) is de spanning over de inductor en de blauwe golfvorm (CH2) is de stroom door de inductor.

BH-curvemetingen

Magnetische voedingscomponenten zijn ontworpen voor de verwachte bedrijfsspanning, stroom, topologie en het specifieke type stroomomvormer. De werkgebieden van inductoren en transformatoren helpen bij het bepalen van de stabiliteit van een SMPS. De bedrijfskarakteristieken van de voeding kunnen echter variëren tijdens het inschakelen, stationaire werking, belastingveranderingen en omgevingsveranderingen, waardoor het uiterst moeilijk is om alle mogelijke scenario's tijdens het ontwerpproces te overwegen.

Om de stabiliteit van de voeding te garanderen, is het belangrijk om het werkgebied van een magnetische component in de SMPS te karakteriseren. Over het algemeen is het doel om verzadiging te vermijden en in het lineaire gebied van de hysteresecurve te werken. Het is echter buitengewoon moeilijk om een ​​magnetische component te ontwerpen en ervoor te zorgen dat deze onder alle omstandigheden in een lineair gebied zal werken.

4. Fabrikanten van kernmateriaal kunnen een dergelijke hysteresecurve als onderdeel van hun specificaties verstrekken.

B-H-curven zoals weergegeven in Figuur 4 help ontwerpers de prestaties van een inductor en zijn kern te visualiseren. In dit voorbeeld is H, gemeten in A/m, de magnetiserende kracht in het apparaat. Het wordt gemeten in ampère/meter en is evenredig met de stroom:

De resulterende fluxdichtheid, B, is evenredig met de integraal van de spanning over het apparaat. Magnetische fluxdichtheid B, gemeten in eenheden van Tesla, is de sterkte van het magnetische veld. Het bepaalt de kracht die door het magnetische veld op een bewegende lading wordt uitgeoefend.

Deze curve biedt een aantal belangrijke inzichten, waaronder:

• Permeabiliteit, µ. Gemeten in H/m. Dit is een kenmerk van het kernmateriaal en het is de snelheid waarmee magnetiserende kracht H (aangedreven door stroom) fluxdichtheid B (geïntegreerde spanning) produceert. Het is de helling van de B-H-curve. Ontwerpers gebruiken materiaal met een hoge permeabiliteit om fysiek kleinere inductoren en transformatoren mogelijk te maken.
• Verzadigingsfluxdichtheid. Het punt waarop extra magnetiserende kracht, H, stopt met het produceren van incrementele fluxdichtheid, B. Ontwerpers vermijden verzadiging in de meeste voedingstoepassingen.
• Hysterese-kenmerken. Hysterese is de "breedte" van de curve en geeft verlies in voedingen aan. De meeste ontwerpen proberen magnetisch "zachte" kernmaterialen te gebruiken om Remanence Br, de magnetische fluxdichtheid die in het materiaal achterblijft nadat de magnetiserende kracht, H, tot nul daalt en coërcitiefkracht, of coërciviteit c, de waarde van H die nodig is om te rijden, te minimaliseren de fluxdichtheid, B, tot nul.

Indicaties van mogelijke instabiliteit zijn onder meer:

• Gemeten piekfluxdichtheid dicht bij de verzadigingsfluxdichtheid gespecificeerd door de kerngegevensblad geeft aan dat het onderdeel dicht bij de verzadiging komt.
• BH-curven die van cyclus tot cyclus veranderen, wat wijst op verzadiging. In een stabiele/efficiënte voeding zal de BH-curve een symmetrisch retourpad hebben en dit pad consistent volgen.

Een oscilloscoop kan worden gebruikt om een ​​in-circuit meting uit te voeren van spanning over en stroom door de wikkeling van een inductor. Gezien het aantal windingen in het apparaat, de magnetische lengte van het apparaat en de dwarsdoorsnede van de kern, is het mogelijk om de werkelijke B- en H-waarden af ​​te leiden op basis van realtime spannings- en stroommetingen met behulp van een oscilloscoop.

Om een ​​B-H-plot te genereren, moet u de spanning over het magnetische element en de stroom die er doorheen vloeit meten. In het geval van een transformator zijn de stromen door zowel de primaire als secundaire wikkelingen van belang. Een hoogspanningsverschilsonde is aangesloten over de inductor of primaire wikkeling van de transformator. Een stroomtang meet de stroom door de inductor of de primaire. Indien nodig worden stroomtangen ook gebruikt om de stroom door de secundaire wikkelingen te meten.

Figuur 5 toont de magnetische metingen op een multi-secundaire wikkeltransformator. De Ref1 (witte) golfvorm is de spanning over de inductor en de Ref 2 (blauwe) golfvorm is de inductorstroom. In dit geval verschijnt de wiskundige wfm (oranje), de resulterende huidige wfm, omdat de scope is ingesteld om meerdere secundaire wikkelingen te testen.

5. Dit toont magnetische metingen op meerdere secundaire wikkeltransformatoren.

BH-curven voor transformatoren

Om de magnetische eigenschappen van een transformator onder bedrijfsomstandigheden te meten, moet er rekening mee worden gehouden dat er stroom wordt overgedragen naar de secundaire. Bij het meten van de BH-curve op een transformator is het handig om een ​​theoretisch element te beschouwen dat de 'magnetiserende inductor' wordt genoemd.

De magnetiserende stroom is de stroom die door de primaire van de transformator zou vloeien wanneer de secundaire open (onbelast) is. Met andere woorden, de magnetiserende stroom produceert geen stroom in de secundaire. Zoals getoond in Figuur 6 , transformatoren worden gemodelleerd met deze magnetiserende stroom die door een "magnetiserende inductor" over de primaire stroomt. Over het algemeen wordt dit gebruikt om de magnetisatie-eigenschappen van het kernmateriaal te modelleren.

6. In dit transformatorschema (links) en equivalent circuit (rechts) stroomt de magnetiserende stroom door een denkbeeldige inductor, LM, parallel aan de primaire. LM modelleert de magnetische eigenschappen van de transformator.

Verliesanalyse

Verliezen in magnetische componenten dragen in belangrijke mate bij aan het totale verlies in een voeding. Kernverlies hangt af van de magnetische eigenschappen van het materiaal en omvat hystereseverlies en wervelstroomverlies. Koperverlies is het gevolg van de weerstand van de wikkelingen; het hangt ook af van de belasting die is aangesloten op de secundaire zijde van een transformator.

Er worden een aantal technieken gebruikt om het kernverlies te schatten. Een andere populaire techniek is de empirische formule van Steinmetz, die kernverlies relateert aan frequentie en fluxdichtheid:

waarbij k, a en b constanten zijn voor het kernmateriaal, over het algemeen ontleend aan het gegevensblad van de kernfabrikant. Gegevensbladen kunnen ook verliesschattingen geven bij verschillende frequenties en fluxdichtheden die doorgaans worden gegeven als reactie op sinusoïdale excitatie. Bij stroomtoepassingen worden componenten echter meestal aangedreven met niet-sinusvormige stimuli, wat onzekerheid in dergelijke benaderingen veroorzaakt (Fig. 7) .

7. Voorbeeld van een meting van het totale magnetische verlies.

Scope-software kan worden gebruikt om het totale magnetische verlies te berekenen door het gemiddelde te nemen van het vermogen van spannings- en stroomgolfvormen, gemiddeld (v(t) ∙ i(t)). Met deze methode omvat het totale magnetische verlies zowel koperverlies als kernverlies. Dit wordt getoond in Fig. 7, waar de magnetische verliesmeting het totale magnetische verlies geeft, inclusief kern- en koperverlies. U kunt het kernverlies vinden in het gegevensblad van de fabrikant van het onderdeel en het koperverlies afleiden door het kernverlies af te trekken van het totale magnetische verlies.

Scopes kunnen het magnetische verlies berekenen in een spoel met enkele wikkeling, een spoel met meerdere wikkelingen of zelfs een transformator. In het geval van een transformator met enkele wikkeling, wordt een differentiële sonde aangesloten om de spanning over de primaire wikkeling te meten. Een stroomtang meet de stroom door de transformator. De vermogensmeetsoftware kan dan automatisch het magnetische vermogensverlies berekenen.

Inductoren en transformatoren vervullen een sleutelrol in schakelende voedingen, waaronder filters, step-up/step-down, isolatie, energieopslag en oscillatie. Om ervoor te zorgen dat ze presteren zoals verwacht, zijn grondige in-circuitmetingen nodig die onder bedrijfsomstandigheden worden uitgevoerd. Zoals we hebben besproken, bieden moderne oscilloscopen die zijn uitgerust met vermogensanalysesoftware snelle instellingen en verbeterde herhaalbaarheid.