Durchführen von Messungen von In-Circuit-Induktivitäten und Transformatoren in SMPS

von Wilson Lee, Technical Marketing Manager bei Tektronix.

Induktivitäten und Transformatoren spielen in Schaltnetzteilen eine Schlüsselrolle. Um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren, sind gründliche In-Circuit-Messungen unter Betriebsbedingungen erforderlich. Das müssen Sie wissen.

In Schaltnetzteilen (SMPS) spielen magnetische Komponenten, nämlich Induktivitäten und Transformatoren, eine entscheidende Rolle. Ein Großteil des SMPS-Designprozesses beruht auf Komponentenspezifikationen und Simulationsmodellen. Aufgrund von tatsächlichen Signalbedingungen, Parasiten, Temperatur und anderen Umgebungsfaktoren, die die Leistung magnetischer Komponenten beeinflussen, funktioniert ein Netzteil jedoch möglicherweise nicht genau so, wie es von Spezifikationen und Simulationen vorhergesagt wird. Daher sind schaltungsinterne Messungen von Induktivitäten und Transformatoren unter Betriebsbedingungen entscheidend, um eine zuverlässige reale Leistung zu gewährleisten.

Mit den richtigen Werkzeugen müssen diese Messungen weder schwierig noch zeitaufwändig sein. Wir werden zunächst die grundlegende Theorie von Induktivitäten und Transformatoren überprüfen, insbesondere in Bezug auf In-Circuit-Messungen. Wir werden dann die Verwendung von Oszilloskop und Tastköpfen während des Stromversorgungsbetriebs durchgehen und die Verwendung von Induktionsmessungen und B-H-Kurven untersuchen, um Einblicke in die Leistung zu erhalten.

Induktortheorie

Die Gesetze von Faraday und Lentz sagen uns, dass der Strom durch einen Induktor und die Spannung über dem Induktor wie folgt zusammenhängen:

Dies zeigt, dass man sich Induktivität als das Ausmaß vorstellen kann, in dem ein sich ändernder Strom zu einer entgegengesetzten Spannung führt. Durch Integrieren, Neuanordnen und Ignorieren des Zeichens erhalten wir:

Dies zeigt, dass die Induktivität als Funktion von Spannung und Strom über die Zeit bestimmt werden kann. Eine solche Zeitbereichsmessung wird am besten mit einem Oszilloskop durchgeführt, das mit einem Spannungstastkopf, einem Stromtastkopf und der Fähigkeit ausgestattet ist, eine Integration durchzuführen und X gegen Y darzustellen.

Im Gegensatz zu einem theoretischen Induktor hängt der Induktivitätswert eines realen Induktors von Stromstärke, Temperatur und Betriebsfrequenz ab. Bei einem Netzteil variieren diese Eigenschaften in Echtzeit mit den Betriebsbedingungen.

1. Eine Grundinduktivität ist eine Spule, die auf einen geschlossenen ferromagnetischen Kern gewickelt ist. Strom von I Ampere fließt durch die Spule, die N Windungen hat. Die Induktivität der Spule beschreibt das Verhältnis zwischen dem in der Spule fließenden Strom und dem magnetischen Fluss.

Als Beispiel die Induktivität des Toroids in Abbildung 1 kann angenähert werden durch:

wobei u die magnetische Permeabilität des Kerns ist; N ist die Anzahl der Drahtwindungen auf dem Toroid; r der Radius des Kerns von der gestrichelten Mittellinie in cm ist; und A ist die Querschnittsfläche des Kerns in cm ² (angenommen, relativ zum Radius des Toroids klein zu sein).

Da diese Anzahl von Windungen quadriert ist, trägt sie am meisten zur Induktivität bei. Weiterhin spielt die Permeabilität des Kernmaterials eine wesentliche Rolle. Der Wert der Induktivität hängt jedoch auch von der physikalischen Größe des Bauteils ab. Um die Größe des Induktors zu minimieren, verwenden die meisten Induktoren in der Elektronik Kernmaterialien, die eine viel höhere Permeabilität als Luft aufweisen.

Kurz gesagt, die Eigenschaften des Kernmaterials und der Geometrie sind entscheidend für die Bestimmung der Induktivität unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie der Verlustleistung im Gerät.

Induktivitätsmessungen

Entwickler von Netzteilen verwenden normalerweise Simulationstechniken, um den geeigneten Induktorwert für ein Design zu bestimmen. Nach der Herstellung des Induktors ist es üblich, die Induktivität mit einem LCR-Messgerät zu überprüfen. Die meisten LCR-Messgeräte stimulieren die Komponente jedoch mit Sinuskurven über einen schmalen Frequenzbereich. Dies ist zwar eine gute Methode, um zu bestätigen, dass die Komponente ungefähr den richtigen Wert hat, aber eine schlechte Vorhersage der schaltungsinternen Leistung.

Die Induktivitätseigenschaften eines Induktors hängen vom Erregungssignal der Strom- und Spannungsquelle, der Wellenform und der Betriebsfrequenz ab, die unter Echtzeit-Betriebsbedingungen variieren können. Daher ist es wichtig, das Verhalten einer Induktivität in der sich dynamisch ändernden Umgebung der Stromversorgung zu messen und zu beobachten.

Diese Messungen werden durchgeführt, indem die Spannung am Gerät gemessen wird, normalerweise mit einem Differenzspannungstastkopf. Normalerweise wird eine Stromsonde verwendet, um den Strom durch die magnetische Komponente zu messen. Um die Induktivität zu bestimmen, integriert eine bereichsbasierte Leistungsanalyse-Software die Spannung über die Zeit und dividiert durch die Stromänderung. Es entfernt auch jeden DC-Offset und verwendet die Mittelwertbildung, um den Induktivitätswert zu berechnen.

Beim Messen der Induktivität eines Transformators ist es wichtig, eine Belastung der Sekundärwicklung zu vermeiden. Die Messung der Induktivität an der Primärwicklung im Leerlauf entspricht der Messung der Induktivität einer Einzelwicklungsinduktivität. Wenn Sie die Induktivität der gekoppelten Induktivität mit mehreren Wicklungen auf demselben Kern messen, weicht der gemessene Wert der Induktivität aufgrund des Einflusses des Stroms auf die andere(n) Wicklung(en) vom tatsächlichen Wert ab.

In Abbildung 2 , gibt die Induktivitätsmessung den durchschnittlichen Induktivitätswert in Henry an. Die gelbe Wellenform (CH1) ist die Spannung an der Induktivität und die blaue Wellenform (CH2) ist der Strom durch die Induktivität. Das Diagramm auf der linken Seite zeigt den Strom i gegen ∫vdt, dessen Steigung die Induktivität ist.

2. Durchschnittlicher Induktivitätswert in Henry.

Abbildung 3 zeigt die Messung von I vs. V, die zusätzliche Einblicke in die Induktorleistung bietet. Hier können Sie jede DC-Vorspannung sehen, wie sie sich über mehrere Zyklen aufbaut. Die gelbe Wellenform (CH1) ist die Spannung an der Induktivität und die blaue Wellenform (CH2) ist der Strom durch die Induktivität.

3. Dies zeigt die Messung von I vs. V, die zusätzliche Einblicke in die Induktorleistung bietet. Hier können Sie jede DC-Vorspannung sehen, wie sie sich über mehrere Zyklen aufbaut. Die gelbe Wellenform (CH1) ist die Spannung an der Induktivität und die blaue Wellenform (CH2) ist der Strom durch die Induktivität.

B-H-Kurvenmessungen

Magnetische Stromversorgungskomponenten sind für die erwartete Betriebsspannung, den Strom, die Topologie und den jeweiligen Stromrichtertyp ausgelegt. Die Betriebsbereiche von Induktivitäten und Transformatoren bestimmen die Stabilität eines SMPS. Die Betriebseigenschaften der Stromversorgung können jedoch beim Einschalten, im stationären Betrieb, bei Laständerungen und Umgebungsänderungen variieren, was es äußerst schwierig macht, alle möglichen Szenarien während des Konstruktionsprozesses zu berücksichtigen.

Um die Stabilität der Stromversorgung zu gewährleisten, ist es wichtig, den Arbeitsbereich einer magnetischen Komponente im SMPS zu charakterisieren. Im Allgemeinen besteht das Ziel darin, eine Sättigung zu vermeiden und im linearen Bereich der Hysteresekurve zu arbeiten. Es ist jedoch äußerst schwierig, eine magnetische Komponente zu konstruieren und sicherzustellen, dass sie unter allen Bedingungen in einem linearen Bereich funktioniert.

4. Hersteller von Kernmaterial können eine solche Hysteresekurve als Teil ihrer Spezifikationen angeben.

B-H-Kurven wie in Abbildung 4 helfen Designern, die Leistung eines Induktors und seines Kerns zu visualisieren. In diesem Beispiel ist H, gemessen in A/m, die Magnetisierungskraft im Gerät. Es wird in Ampere/Meter gemessen und ist proportional zum Strom:

Die resultierende Flussdichte B ist proportional zum Integral der Spannung am Gerät. Die magnetische Flussdichte B, gemessen in Tesla-Einheiten, ist die Stärke des Magnetfelds. Es bestimmt die Kraft, die das Magnetfeld auf eine sich bewegende Ladung ausübt.

Diese Kurve bietet eine Reihe wichtiger Erkenntnisse, darunter:

• Durchlässigkeit, µ. Gemessen in H/m. Dies ist eine Eigenschaft des Kernmaterials, und es ist die Geschwindigkeit, mit der die Magnetisierungskraft H (durch Strom getrieben) die Flussdichte B (integrierte Spannung) erzeugt. Es ist die Steigung der B-H-Kurve. Designer verwenden Materialien mit hoher Permeabilität, um physikalisch kleinere Induktivitäten und Transformatoren zu ermöglichen.
• Sättigungsflussdichte. Der Punkt, an dem die zusätzliche Magnetisierungskraft H aufhört, eine inkrementelle Flussdichte B zu erzeugen. Konstrukteure vermeiden bei den meisten Stromversorgungsanwendungen eine Sättigung.
• Hysteresemerkmale. Die Hysterese ist die „Breite“ der Kurve und zeigt den Verlust der Stromversorgung an. Die meisten Konstruktionen versuchen, magnetisch „weiche“ Kernmaterialien zu verwenden, um die Remanenz Br zu minimieren, die magnetische Flussdichte, die im Material verbleibt, nachdem die Magnetisierungskraft H auf Null abgefallen ist und die Koerzitivkraft oder Koerzitivfeldstärke c, der Wert von H, der zum Antrieb erforderlich ist die Flussdichte B auf null.

Hinweise auf potenzielle Instabilität sind:

• Die gemessene Spitzenflussdichte nahe der im Kerndatenblatt angegebenen Sättigungsflussdichte zeigt an, dass sich die Komponente der Sättigung nähert.
• BH-Kurven, die sich von Zyklus zu Zyklus ändern und eine Sättigung anzeigen. Bei einer stabilen/effizienten Stromversorgung hat die BH-Kurve einen symmetrischen Rückweg und folgt diesem Weg konsequent.

Ein Oszilloskop kann verwendet werden, um eine schaltungsinterne Messung der Spannung über und des Stroms durch die Wicklung eines Induktors durchzuführen. Aufgrund der Anzahl der Windungen im Gerät, der magnetischen Länge des Geräts und der Querschnittsfläche des Kerns ist es möglich, die tatsächlichen B- und H-Werte basierend auf Echtzeit-Spannungs- und Strommessungen mit einem Oszilloskop abzuleiten.

Um ein B-H-Diagramm zu erstellen, müssen Sie die Spannung am Magnetelement und den durch dieses fließenden Strom messen. Bei einem Transformator sind die Ströme durch die Primär- sowie Sekundärwicklung von Interesse. Eine Hochspannungs-Differentialsonde ist über die Induktivität oder Primärwicklung des Transformators geschaltet. Eine Stromsonde misst den Strom durch den Induktor oder die Primärwicklung. Stromzangen werden auch verwendet, um bei Bedarf den Strom durch die Sekundärwicklungen zu messen.

Abbildung 5 zeigt die magnetischen Messungen an einem Transformator mit mehreren Sekundärwicklungen. Die Wellenform Ref1 (weiß) ist die Spannung über dem Induktor und die Wellenform Ref 2 (blau) ist der Induktorstrom. In diesem Fall wird der mathematische Wert wfm (orange), der der resultierende Strom wfm ist, angezeigt, da das Oszilloskop zum Testen mehrerer Sekundärwicklungen eingerichtet wurde.

5. Dies zeigt magnetische Messungen an mehreren Sekundärwicklungstransformatoren.

B-H-Kurven für Transformatoren

Um die magnetischen Eigenschaften eines Transformators unter Betriebsbedingungen zu messen, muss darauf geachtet werden, dass Strom in die Sekundärseite übertragen wird. Bei der Messung der B-H-Kurve an einem Transformator ist es hilfreich, ein theoretisches Element namens „magnetisierende Induktivität“ zu berücksichtigen.

Der Magnetisierungsstrom ist der Strom, der durch die Primärseite des Transformators fließen würde, wenn die Sekundärseite geöffnet (unbelastet) ist. Mit anderen Worten, der Magnetisierungsstrom erzeugt keinen Strom in der Sekundärseite. Wie in Abbildung 6 gezeigt , Transformatoren werden mit diesem Magnetisierungsstrom modelliert, der durch eine „magnetisierende Induktivität“ über die Primärwicklung fließt. Im Allgemeinen wird dies verwendet, um die Magnetisierungseigenschaften des Kernmaterials zu modellieren.

6. In diesem Transformatorschema (links) und Ersatzschaltbild (rechts) fließt der Magnetisierungsstrom durch eine imaginäre Induktivität LM parallel zur Primärwicklung. LM modelliert die magnetischen Eigenschaften des Transformators.

Verlustanalyse

Verluste in magnetischen Komponenten tragen erheblich zum Gesamtverlust in einer Stromversorgung bei. Der Kernverlust hängt von den magnetischen Eigenschaften des Materials ab und umfasst Hystereseverluste und Wirbelstromverluste. Der Kupferverlust resultiert aus dem Widerstand der Wicklungen; es hängt auch von der Last ab, die an die Sekundärseite eines Transformators angeschlossen ist.

Eine Reihe von Techniken wird verwendet, um den Kernverlust abzuschätzen. Eine weitere beliebte Technik ist die empirische Formel von Steinmetz, die den Kernverlust mit der Frequenz und der Flussdichte in Beziehung setzt:

wobei k, a und b Konstanten für das Kernmaterial sind, die im Allgemeinen dem Datenblatt des Kernherstellers entnommen werden. Datenblätter können auch Verlustschätzungen bei verschiedenen Frequenzen und Flussdichten enthalten, die typischerweise als Reaktion auf eine sinusförmige Erregung angegeben werden. In Leistungsanwendungen werden Komponenten jedoch normalerweise mit nicht-sinusförmigen Stimuli angetrieben, was bei solchen Näherungen zu Unsicherheiten führt (Abb. 7) .

7. Beispiel für eine Messung des magnetischen Gesamtverlusts.

Die Oszilloskop-Software kann verwendet werden, um den gesamten magnetischen Verlust zu berechnen, indem die Leistung der Spannungs- und Stromwellenformen gemittelt wird, Durchschnitt (v(t) i(t)). Bei diesem Verfahren umfasst der magnetische Gesamtverlust sowohl den Kupferverlust als auch den Kernverlust. Dies ist in Abb. 7 dargestellt, wo die Messung des magnetischen Verlustes den gesamten magnetischen Verlust einschließlich Kern- und Kupferverlust angibt. Sie können den Kernverlust dem Datenblatt des Komponentenherstellers entnehmen und den Kupferverlust ableiten, indem Sie den Kernverlust vom magnetischen Gesamtverlust abziehen.

Oszilloskope sind in der Lage, den magnetischen Verlust in einer Einzelwicklungsinduktivität, einer Mehrwicklungsinduktivität oder sogar einem Transformator zu berechnen. Bei einem Einwicklungstransformator wird eine Differenzsonde angeschlossen, um die Spannung an der Primärwicklung zu messen. Eine Stromsonde misst den Strom durch den Transformator. Die Leistungsmesssoftware kann dann automatisch die magnetische Verlustleistung berechnen.

Induktivitäten und Transformatoren spielen in Schaltnetzteilen eine Schlüsselrolle, einschließlich Filter, Aufwärts-/Abwärtsschritt, Isolierung, Energiespeicherung und Oszillation. Um sicherzustellen, dass sie wie erwartet funktionieren, sind gründliche In-Circuit-Messungen unter Betriebsbedingungen erforderlich. Wie bereits erwähnt, bieten moderne Oszilloskope mit Leistungsanalyse-Software schnelle Setups und verbesserte Wiederholbarkeit.