Měření proudu indukčností ve spínaných zdrojích

autor článku: Frederik Dostal, Analog Devices

Otázka: Jak změříte proud indukčností?

RAQ 170 1

 

Odpověď:

Spínané zdroje běžně využívají indukčností k dočasnému uložení energie. Při hodnocení těchto zdrojů bývá často užitečné změřit proud indukčností, abychom získali úplný obraz o obvodu, který provádí převod napětí. Jaká je ale nejlepší metoda pro měření proudu indukčností?

Obr. 1 ukazuje doporučené uspořádání pro takové měření s využitím příkladu zapojení typického snižujícího měniče (topologie buck). Zde je kratší pomocný úsek vodiče vložen do série s indukčností. Úsek vodiče slouží k připojení proudové sondy a zobrazení průběhu proudu cívkou na osciloskopu. Měření se doporučuje provádět na té straně indukčnosti, na které je napětí stabilní. Většina topologií spínacích regulátorů využívá indukčnosti takovým způsobem, že napětí na její jedné straně je přepínáno mezi dvěma krajními hodnotami, ale zůstává relativně stabilní na straně druhé. U snižujícího měniče na obr. 1 je napětí na spínaném uzlu – to znamená na levé straně indukčnosti L – přepínáno mezi vstupním napětím a napětím země rychlostí spínacích hran. Na pravé straně indukčnosti je výstupní napětí, které je obvykle relativně stabilní. Pokud chceme snížit rušeni vlivem kapacitní vazby (vazba elektrickým polem), měli bychom umístit smyčku pro měření proudu na „tiché“ straně indukčnosti, tak jak je ukázáno na obr. 1.

RAQ 170 2

.Obr. 1  Schéma pro měření proudu indukčností ve spínaném zdroji.

Obr. 2 znázorňuje skutečné uspořádání pro toto měření. Indukčnost je pozvednuta a zešikma zapájena z jedné strany zpět do DPS. její druhý vývod je připojen do DPS přes pomocný vodič. Takovou úpravu lze provést docela jednoduše. Osvědčeným způsobem uvolnění indukčnosti ze spojů je horký vzduch. Pracoviště pro úpravy desek SMD bývají často vybavena zdrojem horkého vzduchu nastavitelné teploty.

Minimalizace indukčnosti přívodů

Obr. 1 ukazuje schéma uspořádání pro hodnocení měniče napětí. To co si přejeme zkoušet je chování napájecího obvodu a nikoli vlastnosti propojovacích vodičů mezi laboratorním zdrojem a testovanou deskou, nebo přívodů k zátěži. Ke snížení vlivu propojovacích vodičů je třeba udělat dvě opatření. Zaprvé vodiče by měly být co nejkratší. Krátké vodiče mají nižší indukčnost než vodiče dlouhé. Zadruhé snížením plochy proudové smyčky dosáhneme dalšího snížení parazitní indukčnosti. Samozřejmý způsob jak toho dosáhnout je vodiče zkroutit. V tomto případě závisí plocha proudové smyčky na délce vodičů a tloušťce izolace lanka. Obr. 2 ukazuje propojení zkoušeného měniče kroucenými vodiči pro snížení jejich parazitní indukčnosti.

  RAQ 170 3

Obr. 2  Skutečné uspořádání pro měření proudu indukčností

Proudové sondy jsou dostupné u výrobců osciloskopů. Bývají však obvykle docela drahé, a tak přetrvává otázka, zda by se proud indukčností mohl měřit také pomocí sériového snímacího odporu. To v principu možné je. Tato metoda má však tu nevýhodu, že spínací šum generovaný spínaným zdrojem se může přes snímací odpor snadno navázat do měření napětí. Tímto způsobem, zejména v důležitých bodech, kdy proud indukčností mění svůj směr, by naměřené výsledky nebyly pravdivou reprezentací průběhu proudu indukčností.

RAQ 170 4

Obr. 3  Naměřený průběh proudu indukčností znázorněný modrou a chování nasycené indukčnosti purpurovou barvou

Obr. 3 ukazuje naměřený průběh proudu indukčností (v modré) spínaného zdroje snímaného proudovou sondou, která je kompatibilní s použitým osciloskopem. Na obrázku je vyznačeno purpurovou barvou, jak by vypadal průběh proudu indukčností, pokud by docházelo k přesycování indukčnosti v blízkosti proudových špiček. K tomu dochází tehdy, pokud vybraná indukčnost není pro danou aplikaci proudově dostatečně dimenzována. Jedním z hlavních důvodů pro měření proudu indukčností ve spínaném zdroji je právě to, že se tak můžeme přesvědčit o tom, zda-li byla indukčnost správně zvolena a nebo jestli bude docházet k jejímu přesycení v provozu nebo v chybovém stavu.

Měření pomocí snímacího odporu namísto klešťovou sondou by ukázalo silně navázaný šum, zejména v okolí proudových špiček, což by ztížilo zjištění stavu nasycení indukčnosti.

Snímání proudu indukčností je velmi užitežným prostředkem při hodnocení zdroje a s vhodným vybavením je lze provádět docela snadno.