Execução de medições de indutor e transformador no circuito em SMPS

por Wilson Lee, gerente de marketing técnico da Tektronix.

Indutores e transformadores desempenham papéis importantes em fontes de alimentação comutadas. Garantir que funcionem conforme o esperado requer medições completas no circuito, realizadas sob condições operacionais. Aqui está o que você precisa saber.



Em fontes de alimentação comutadas (SMPS), os componentes magnéticos, nomeadamente indutores e transformadores, desempenham papéis críticos. Muito do processo de design SMPS depende de especificações de componentes e modelos de simulação. No entanto, devido às condições reais do sinal, parasitas, temperatura e outros fatores ambientais que afetam o desempenho dos componentes magnéticos, uma fonte de alimentação pode não funcionar exatamente como previsto pelas especificações e simulações. Como resultado, as medições no circuito de indutores e transformadores sob condições operacionais são críticas para garantir um desempenho confiável no mundo real.

Com as ferramentas certas à mão, fazer essas medições não precisa ser difícil ou demorado. Vamos primeiro revisar a teoria básica de indutores e transformadores, especialmente no que se refere às medições dentro do circuito. Em seguida, examinaremos o uso de osciloscópio e pontas de prova durante a operação da fonte de alimentação e exploraremos o uso de medições de indução e curvas B-H para obter uma visão de desempenho.

Teoria do Indutor

As leis de Faraday e Lentz nos dizem que a corrente através de um indutor e a voltagem através do indutor estão relacionadas como:



Isso mostra que a indutância pode ser considerada como a extensão em que uma corrente variável resulta em uma tensão oposta. Ao integrar, reorganizar e ignorar o sinal, podemos obter:



Isso revela que a indutância pode ser determinada em função da tensão e da corrente ao longo do tempo. Essa medição no domínio do tempo é melhor realizada usando um osciloscópio equipado com uma ponta de prova de tensão, ponta de prova de corrente e a capacidade de realizar a integração e representar graficamente X versus Y.

Em contraste com um indutor teórico, o valor da indutância de um indutor real depende dos níveis de corrente, temperatura e frequência de operação. Em uma fonte de alimentação, essas características variam em tempo real com as condições de operação.



1. Um indutor básico é uma bobina enrolada em um núcleo ferromagnético fechado. Uma corrente de 1 amperes flui através da bobina, que tem N voltas. A indutância da bobina descreve a relação entre a corrente que flui na bobina e o fluxo magnético.

Como exemplo, a indutância do toroide na Figura 1 pode ser aproximado por:



onde µ é a permeabilidade magnética do núcleo; N é o número de voltas do fio no toroide; r é o raio do núcleo a partir da linha central tracejada em cm; e A é a área da seção transversal do núcleo em cm ² (considerado pequeno em relação ao raio do toroide).

Uma vez que este número de voltas é elevado ao quadrado, é o maior contribuinte para a indutância. Além disso, a permeabilidade do material do núcleo desempenha um papel significativo. No entanto, o valor da indutância também está relacionado ao tamanho físico do componente. Para minimizar o tamanho do indutor, a maioria dos indutores na eletrônica usa materiais de núcleo que têm uma permeabilidade muito maior do que o ar.

Em suma, as características do material do núcleo e da geometria são essenciais para determinar a indutância em várias condições operacionais, bem como a perda de potência no dispositivo.

Medições de indutância

Os projetistas de fontes de alimentação normalmente usam técnicas de simulação para determinar o valor do indutor apropriado para um projeto. Depois de fabricar o indutor, uma prática comum é verificar a indutância usando um medidor LCR. No entanto, a maioria dos medidores de LCR estimula o componente com sinusóides em uma faixa de frequência estreita, então, embora esta seja uma boa técnica para confirmar que o componente tem aproximadamente o valor correto, é um indicador pobre de desempenho dentro do circuito.

As características de indutância de um indutor dependem do sinal de excitação da fonte de corrente e tensão, forma de onda e frequência de operação, que pode variar em condições operacionais em tempo real. Portanto, é importante medir e observar o comportamento de um indutor no ambiente de mudança dinâmica da fonte de alimentação.

Essas medições são feitas sondando a tensão no dispositivo, geralmente com uma ponta de prova de tensão diferencial. Uma ponta de prova de corrente é normalmente usada para medir a corrente através do componente magnético. Para determinar a indutância, o software de análise de potência baseado em escopo integra a tensão ao longo do tempo e divide pela mudança na corrente. Ele também remove qualquer deslocamento CC e usa a média para calcular o valor da indutância.

Ao medir a indutância de um transformador, é importante evitar o carregamento do enrolamento secundário. Medir a indutância no enrolamento primário sob uma condição sem carga é equivalente a medir a indutância para um indutor de enrolamento único. Quando você está medindo a indutância do indutor acoplado com vários enrolamentos no mesmo núcleo, o valor medido da indutância se desviará do valor real, devido à influência da corrente no (s) outro (s) enrolamento (s).

Na Figura 2 , a medição da indutância fornece o valor médio da indutância em Henry. A forma de onda amarela (CH1) é a tensão através do indutor e a forma de onda azul (CH2) é a corrente através do indutor. O gráfico à esquerda mostra a corrente, i versus ∫vdt, cuja inclinação é a indutância.



2. Valor médio da indutância em Henry.

Figura 3 mostra a medição I vs. ∫V, que fornece uma visão adicional sobre o desempenho do indutor. Aqui você pode ver qualquer polarização dc conforme ela se acumula ao longo de vários ciclos. A forma de onda amarela (CH1) é a tensão através do indutor e a forma de onda azul (CH2) é a corrente através do indutor.



3. Isso mostra a medição I vs. ∫V, que fornece uma visão adicional sobre o desempenho do indutor. Aqui você pode ver qualquer polarização dc conforme ela se acumula ao longo de vários ciclos. A forma de onda amarela (CH1) é a voltagem através do indutor e a forma de onda azul (CH2) é a corrente através do indutor.

Medições da curva B-H

Os componentes da fonte de alimentação magnética são projetados para a tensão operacional esperada, a corrente, a topologia e o tipo específico de conversor de energia. As regiões de operação de indutores e transformadores ajudam a determinar a estabilidade de um SMPS. No entanto, as características operacionais da fonte de alimentação podem variar durante a inicialização, operação em estado estacionário, mudanças de carga e mudanças ambientais, tornando extremamente difícil considerar todos os cenários possíveis durante o processo de design.

Para garantir a estabilidade da fonte de alimentação, é importante caracterizar a região de operação de um componente magnético no SMPS. Geralmente, o objetivo é evitar a saturação e operar na região linear da curva de histerese. No entanto, é extremamente difícil projetar um componente magnético e garantir que ele opere em uma região linear sob todas as condições.



4. Os fabricantes de material de núcleo podem fornecer essa curva de histerese como parte de suas especificações.

Curvas B-H como a mostrada na Figura 4 ajudam os designers a visualizar o desempenho de um indutor e seu núcleo. Neste exemplo, H, medido em A / m, é a força de magnetização no dispositivo. É medido em amperes / metro e é proporcional à corrente:



A densidade de fluxo resultante, B, é proporcional à integral da tensão no dispositivo. A densidade do fluxo magnético B, medida em unidades de Tesla, é a força do campo magnético. Ele determina a força que é exercida sobre uma carga em movimento pelo campo magnético.

Esta curva oferece vários insights importantes, incluindo:

• Permeabilidade, µ. Medido em H / m. Esta é uma característica do material do núcleo e é a taxa na qual a força de magnetização H (impulsionada pela corrente) produz a densidade de fluxo B (voltagem integrada). É a inclinação da curva B-H. Os projetistas usam material de alta permeabilidade para permitir indutores e transformadores fisicamente menores.
• Densidade do fluxo de saturação. O ponto em que a força de magnetização adicional, H, para de produzir densidade de fluxo incremental, B. Os projetistas evitam a saturação na maioria das aplicações de fonte de alimentação.
• Características de histerese. A histerese é a “largura” da curva e indica perda nas fontes de alimentação. A maioria dos projetos procuram usar materiais de núcleo magneticamente "macios" para minimizar Remanence Br, a densidade de fluxo magnético que permanece no material após a força de magnetização, H, cair para zero e a força coercitiva, ou coercividade c, o valor de H necessário para conduzir a densidade de fluxo, B, para zero.

As indicações de potencial instabilidade incluem:

• A densidade de fluxo de pico medida próxima à densidade de fluxo de saturação especificada pela folha de dados principal indica que o componente está chegando perto da saturação.
• Curvas BH que mudam de ciclo para ciclo, indicando saturação. Em uma fonte de alimentação estável / eficiente, a curva BH terá um caminho de retorno simétrico e traçará esse caminho de forma consistente.

Um osciloscópio pode ser usado para realizar uma medição dentro do circuito de voltagem e corrente através do enrolamento de um indutor. Dado o número de voltas no dispositivo, o comprimento magnético do dispositivo e a área da seção transversal do núcleo, é possível derivar os valores B e H reais com base em medições de tensão e corrente em tempo real usando um osciloscópio.

Para gerar um gráfico B-H, você precisa medir a tensão no elemento magnético e a corrente que flui por ele. No caso de um transformador, as correntes através dos enrolamentos primário e secundário são de interesse. Uma ponta de prova diferencial de alta tensão é conectada ao indutor ou enrolamento primário do transformador. Uma ponta de prova de corrente mede a corrente através do indutor ou primário. Sondas de corrente também são usadas para medir a corrente através dos enrolamentos secundários, se necessário.

Figura 5 mostra as medições magnéticas em um transformador de enrolamento múltiplo secundário. A forma de onda Ref1 (branca) é a tensão no indutor e a forma de onda Ref 2 (azul) é a corrente do indutor. Nesse caso, a matemática wfm (laranja), que é a corrente resultante wfm, aparece porque o osciloscópio foi configurado para testar vários enrolamentos secundários.



5. Isso mostra as medições magnéticas em vários transformadores de enrolamento secundário.

Curvas B-H para transformadores

Para medir as características magnéticas de um transformador em condições de operação, deve-se levar em consideração a transferência de corrente para o secundário. Ao medir a curva B-H em um transformador, é útil considerar um elemento teórico chamado de "indutor de magnetização".

A corrente de magnetização é a corrente que fluiria através do primário do transformador quando o secundário estiver aberto (sem carga). Em outras palavras, a corrente de magnetização não produz nenhuma corrente no secundário. Conforme mostrado na Figura 6 , os transformadores são modelados com esta corrente de magnetização fluindo através de um “indutor de magnetização” através do primário. Geralmente, isso é usado para modelar as características de magnetização do material do núcleo.



6. Neste esquema do transformador (esquerda) e circuito equivalente (direita), a corrente de magnetização está fluindo através de um indutor imaginário, LM, em paralelo com o primário. LM modela as características magnéticas do transformador.

Análise de Perda

Perdas em componentes magnéticos são contribuintes significativos para a perda geral em uma fonte de alimentação. A perda do núcleo depende das propriedades magnéticas do material e inclui perda de histerese e perda de corrente parasita. A perda de cobre resulta da resistência dos enrolamentos; também depende da carga conectada ao lado secundário de um transformador.

Várias técnicas são usadas para estimar a perda do núcleo. Outra técnica popular é a fórmula empírica de Steinmetz, que relaciona a perda do núcleo à frequência e densidade de fluxo:



onde k, a e b são constantes para o material do núcleo, geralmente retirados da folha de dados do fabricante do núcleo. As planilhas de dados também podem fornecer estimativas de perda em várias frequências e densidades de fluxo que são normalmente fornecidas em resposta à excitação senoidal. No entanto, em aplicações de energia, os componentes são geralmente acionados com estímulos não senoidais, causando incerteza em tais aproximações (Fig. 7) .



7. Exemplo de medição de perda magnética total.

O software Scope pode ser usado para calcular a perda magnética total pela média da potência das formas de onda de tensão e corrente (v (t) ∙ i (t)). Com este método, a perda magnética total inclui a perda de cobre e a perda de núcleo. Isso é mostrado na Fig. 7, onde a medição da perda magnética fornece a perda magnética total, incluindo a perda do núcleo e do cobre. Você pode encontrar a perda do núcleo na ficha de dados do fabricante do componente e derivar a perda de cobre subtraindo a perda do núcleo da perda magnética total.

Os osciloscópios são capazes de calcular a perda magnética em um indutor de enrolamento único, um indutor de enrolamento múltiplo ou até mesmo um transformador. No caso de um transformador de enrolamento único, uma ponta de prova diferencial é conectada para medir a tensão no enrolamento primário. Uma ponta de prova de corrente mede a corrente através do transformador. O software de medição de potência pode então calcular automaticamente a perda de potência magnética.

Indutores e transformadores desempenham papéis importantes em fontes de alimentação comutadas, incluindo filtros, aumento / redução, isolamento, armazenamento de energia e oscilação. Garantir que funcionem conforme o esperado requer medições completas no circuito, realizadas sob condições operacionais. Como já discutimos, osciloscópios modernos equipados com software de análise de potência oferecem configurações rápidas e repetibilidade aprimorada.