In-Circuit Spoel & Transformator Testen voor Schakelmodus Voedingen

Door Wilson Lee, Technical Marketing Manager bij Tektronix.

Spoelen en transformatoren zijn de ruggengraat van schakelmodus voedingen (SMPS). Om betrouwbare operatie te garanderen, moet hun prestatie geverifieerd worden in-circuit onder echte operatieomstandigheden.

Hoewel component datasheets en simulatiemodellen het ontwerp leiden, verschuiven parasitair effecten, temperatuurschommelingen en signaalvariaties vaak het daadwerkelijke gedrag. Dit artikel wandelt door de fundamentals en praktische stappen voor het meten van spoelen en transformatoren direct in een draaiende SMPS, met behulp van moderne oscilloscopen, probes, en B-H curve analyse.

Spoeltheorie

De wetten van Faraday en Lenz beschrijven de relatie tussen de stroom door een spoel en de spanning erover:

Herleiden en integreren geeft:

In de praktijk kunt u de inductie extraheren door de spanning- en stroomgolven op te nemen met een oscilloscop dat differentiële spanningprobes, stroomprobes, en X‑vs‑Y plotting ondersteunt. Deze tijd-domein benadering vangt de echte inductie onder de daadwerkelijke signaalvorm, amplitude, en frequentie aanwezig in de voeding.

Echte spoelen vertonen een afhankelijkheid van stroom, temperatuur, en frequentie, dus hun waarde kan tijdens operatie afdwalen.

Figuur 1. Een basis spoel bestaat uit een spoel gewikkeld op een ferromagnetische kern. De stroom I (A) vloeit door N wikkelingen, en de inductie beschrijft hoe die stroom magnetische flux induceert.

Bijvoorbeeld, de inductie van een toroïde kan benaderd worden door:

waarbij µ de kernpermeabiliteit (H/m), N het aantal wikkelingen, r de kernstraal (cm), en A de dwarsdoorsnede (cm²). Omdat N² domineert, is het aantal wikkelingen de grootste hefboom voor inductie. Het selecteren van een kern met hoge µ stelt een kleinere fysieke grootte en lager verlies in staat.

Kernmateriaal en geometrie dicteren dus inductie over alle operatiepunten en de resulterende vermogensverliezen.

Inductie Metingen

Ontwerpers verifiëren normaal inductie met een LCR-meter na fabricage. LCR-meters exciteren het component met een smal-band sinus, wat adequaat is voor een snelle sanity check maar niet voorspellend voor in-circuit prestaties. In een SMPS is de excitatie typisch een hoge-frequente, niet-sinusvormige puls, dus in-circuit meting is essentieel.

Om inductie in-circuit te meten, connecteer een differentiële spanningprobe over de wikkeling en een stroomprobe aan dezelfde wikkeling. De oscilloscop's power-analyse software integreert de spanning over tijd en deelt door de stroomverandering, automatisch DC-offsets verwijderend en gemiddeld over veel cycli.

Bij het meten van een transformator, vermijd het laden van de secundaire. Meet de primaire inductie onder geen-last om de magnetiserende inductie te verkrijgen; het laden van de secundaire zal de effectieve inductie veranderen door wederkerige koppeling.

Figuur 2. De gemiddelde inductie (H) wordt verkregen uit de helling van stroom (CH2) versus de geïntegreerde spanning (CH1).

Figuur 3. De I vs ∫V plot onthult ook eventuele DC-bias die zich over cycli ophoopt.

B-H Curve Metingen

Magnetische componenten in een SMPS moeten opereren in het lineaire gebied van hun hysterese-lus om verzadiging en overmatig verlies te vermijden. Echter, operatieomstandigheden kunnen variëren met belastingveranderingen, temperatuur, en opstarttransienten, wat ontwerptijdsvoorspelling moeilijk maakt.

B-H curven, geleverd door veel kernfabrikanten, illustreren de relatie tussen magnetiserende kracht H (A/m) en fluxdichtheid B (T). Ze onthullen sleutelparameters:

• Permeabiliteit (µ) – de helling van de B-H curve, wat aangeeft hoe efficiënt de kern H omzet in B.
• Verzadigingsfluxdichtheid – het punt waar additionele H B niet meer verhoogt.
• Hysteresekenmerken – de breedte van de lus, wat correleert met kernverlies. Zachte magnetische materialen minimaliseren remanentie (Br) en coercitieve kracht (Hc).

Indicatoren van instabiliteit zijn een piek B die de verzadigrens nader of een B-H lus die tussen cyclen verschuift.

Een oscilloscop kan een B-H plot genereren door de spanning over en stroom door de wikkeling te meten, en dan B en H te berekenen uit:

B = (1 / (µ₀·N·A)) · ∫V dt H = I / (l)

waarbij l de magnetische padlengte is. De scope's analyse software automatiseert deze berekening.

Figuur 4. Magnetische metingen op een transformator met meerdere secundaire wikkelingen. De oranje golf is de gecombineerde stroom wanneer secundaire wikkelingen geëxciteerd zijn.

B-H Curven voor Transformatoren

Wanneer een transformator geladen is, voedt een deel van de primaire stroom de secundaire. Om de magnetiserende stroom te isoleren, modelleer de transformator met een imaginaire spoel, Lₘ, parallel met de primaire. Lₘ vertegenwoordigt het magnetische gedrag van de kern en draagt alleen de magnetiserende stroom.

Figuur 5. Equivalent circuit met de magnetiserende spoel Lₘ parallel aan de primaire.

Verliesanalyse

Magnetische verliezen domineren het efficiëntiebudget van een SMPS. Kernverlies, bestaande uit hysterese- en wervelstroomverlies, hangt af van fluxdichtheid en frequentie, terwijl koperverlies voortkomt uit wikkelingweerstand.

De empirische Steinmetz-formule schat kernverlies:

waarbij k, a, en b materiaalconstanten zijn geleverd door de kernfabrikant. Datasheets bieden vaak verlieswaarden voor sinusoidale excitatie, maar in een SMPS is de excitatie niet-sinusvormig, dus on-the-fly meting is te prefereren.

Figuur 6. De scope's power-analyse feature gemiddeld het product v(t) × i(t) om het totale magnetische verlies te leveren, wat zowel koper- als kernverlies omvat. Het aftrekken van de fabrikant's kernverlies levert het koperverlies op.

Scopen kunnen deze berekening uitvoeren voor enkel-wikkeling spoelen, multi-wikkeling spoelen, of transformatoren. Voor een transformator, voedt een differentiële probe op de primaire en een stroomprobe op de primaire (en secundaire indien nodig) de software, die vervolgens het verlies in watten uitvoert.

Samengevat, spoelen en transformatoren zijn kritiek voor SMPS-prestaties – filtering, isolatie, energieopslag, en timing. Nauwkeurige in-circuit meting met moderne oscilloscopen en power-analyse software zorgt ervoor dat deze componenten hun ontwerpspecificaties halen en betrouwbaar opereren onder alle condities.