Realización de mediciones de inductores y transformadores en circuito en SMPS

por Wilson Lee, director de marketing técnico de Tektronix.

Los inductores y transformadores cumplen funciones clave en las fuentes de alimentación conmutadas. Para asegurarse de que funcionen como se espera, es necesario realizar mediciones exhaustivas en el circuito en condiciones de funcionamiento. Esto es lo que necesita saber.

En las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS), los componentes magnéticos, a saber, inductores y transformadores, juegan un papel fundamental. Gran parte del proceso de diseño de SMPS se basa en especificaciones de componentes y modelos de simulación. Sin embargo, debido a las condiciones reales de la señal, los parásitos, la temperatura y otros factores ambientales que afectan el rendimiento de los componentes magnéticos, es posible que una fuente de alimentación no funcione exactamente como lo predicen las especificaciones y simulaciones. Como resultado, las mediciones en circuito de inductores y transformadores en condiciones de operación son críticas para garantizar un desempeño confiable en el mundo real.

Con las herramientas adecuadas a mano, realizar estas mediciones no tiene por qué ser difícil ni requerir mucho tiempo. Primero revisaremos la teoría básica de inductores y transformadores, especialmente en lo que se refiere a las mediciones en circuito. Luego, analizaremos el uso del osciloscopio y las sondas durante el funcionamiento de la fuente de alimentación, y exploraremos el uso de medidas de inducción y curvas B-H para obtener información sobre el rendimiento.

Teoría del inductor

Las leyes de Faraday y Lentz nos dicen que la corriente a través de un inductor y el voltaje a través del inductor están relacionados como:

Esto muestra que se puede pensar en la inductancia como la medida en que una corriente cambiante da como resultado un voltaje opuesto. Al integrar, reorganizar e ignorar el letrero, podemos obtener:

Esto revela que la inductancia se puede determinar en función del voltaje y la corriente a lo largo del tiempo. Tal medición en el dominio del tiempo se logra mejor utilizando un osciloscopio equipado con una sonda de voltaje, una sonda de corriente y la capacidad de realizar la integración y trazar X versus Y.

A diferencia de un inductor teórico, el valor de inductancia de un inductor real depende de los niveles de corriente, la temperatura y la frecuencia de funcionamiento. En una fuente de alimentación, estas características varían en tiempo real con las condiciones de funcionamiento.

1. Un inductor básico es una bobina enrollada en un núcleo ferromagnético cerrado. La corriente de I amperios fluye a través de la bobina, que tiene N vueltas. La inductancia de la bobina describe la relación entre la corriente que fluye en la bobina y el flujo magnético.

Como ejemplo, la inductancia del toroide en la Figura 1 puede ser aproximado por:

donde µ es la permeabilidad magnética del núcleo; N es el número de vueltas de alambre en el toroide; r es el radio del núcleo desde la línea central discontinua en cm; y A es el área de la sección transversal del núcleo en cm ² (se supone que es pequeño en relación con el radio del toroide).

Dado que este número de vueltas está al cuadrado, es el mayor contribuyente a la inductancia. Además, la permeabilidad del material del núcleo juega un papel importante. Sin embargo, el valor de la inductancia también está relacionado con el tamaño físico del componente. Para minimizar el tamaño del inductor, la mayoría de los inductores en electrónica utilizan materiales de núcleo que tienen una permeabilidad mucho mayor que el aire.

En resumen, las características del material y la geometría del núcleo son fundamentales para determinar la inductancia en diversas condiciones de funcionamiento, así como la pérdida de potencia en el dispositivo.

Medidas de inductancia

Los diseñadores de fuentes de alimentación suelen utilizar técnicas de simulación para determinar el valor de inductor apropiado para un diseño. Después de fabricar el inductor, una práctica común es verificar la inductancia usando un medidor LCR. Sin embargo, la mayoría de los medidores LCR estimulan el componente con sinusoides en un rango de frecuencia estrecho, por lo que, si bien esta es una buena técnica para confirmar que el componente tiene aproximadamente el valor correcto, es un predictor deficiente del rendimiento en circuito.

Las características de inductancia de un inductor dependen de la señal de excitación de la fuente de corriente y voltaje, la forma de onda y la frecuencia de operación, que pueden variar en las condiciones de operación en tiempo real. Por lo tanto, es importante medir y observar el comportamiento de un inductor en el entorno dinámicamente cambiante de la fuente de alimentación.

Estas medidas se realizan probando el voltaje a través del dispositivo, generalmente con una sonda de voltaje diferencial. Por lo general, se usa una sonda de corriente para medir la corriente a través del componente magnético. Para determinar la inductancia, el software de análisis de potencia basado en el osciloscopio integra el voltaje a lo largo del tiempo y lo divide por el cambio de corriente. También elimina cualquier desplazamiento de CC y utiliza un promedio para calcular el valor de inductancia.

Al medir la inductancia de un transformador, es importante evitar cargar el devanado secundario. Medir la inductancia en el devanado primario en condiciones sin carga es equivalente a medir la inductancia de un inductor de un solo devanado. Cuando mide la inductancia del inductor acoplado con múltiples devanados en el mismo núcleo, el valor medido de la inductancia se desviará del valor real, debido a la influencia de la corriente en los otros devanados.

En la Figura 2 , la medición de la inductancia da el valor medio de la inductancia en henries. La forma de onda amarilla (CH1) es el voltaje a través del inductor y la forma de onda azul (CH2) es la corriente a través del inductor. La gráfica de la izquierda muestra la corriente i versus ∫vdt, cuya pendiente es inductancia.

2. Valor medio de inductancia en henries.

Figura 3 muestra la medida I vs. ∫V, que proporciona información adicional sobre el rendimiento del inductor. Aquí puede ver cualquier sesgo de CC a medida que se acumula durante varios ciclos. La forma de onda amarilla (CH1) es el voltaje a través del inductor y la forma de onda azul (CH2) es la corriente a través del inductor.

3. Esto muestra la medición de I frente a ∫V, que proporciona información adicional sobre el rendimiento del inductor. Aquí puede ver cualquier sesgo de CC a medida que se acumula durante varios ciclos. La forma de onda amarilla (CH1) es el voltaje a través del inductor y la forma de onda azul (CH2) es la corriente a través del inductor.

Medidas de la curva B-H

Los componentes de la fuente de alimentación magnética están diseñados para el voltaje de funcionamiento esperado, la corriente, la topología y el tipo particular de convertidor de potencia. Las regiones operativas de inductores y transformadores ayudan a determinar la estabilidad de un SMPS. Sin embargo, las características operativas de la fuente de alimentación pueden variar durante el encendido, el funcionamiento en estado estable, los cambios de carga y los cambios ambientales, lo que hace que sea extremadamente difícil considerar todos los escenarios posibles durante el proceso de diseño.

Para garantizar la estabilidad de la fuente de alimentación, es importante caracterizar la región operativa de un componente magnético en el SMPS. Generalmente, el objetivo es evitar la saturación y operar en la región lineal de la curva de histéresis. Sin embargo, es extremadamente difícil diseñar un componente magnético y garantizar que operará en una región lineal en todas las condiciones.

4. Los fabricantes de material de núcleo pueden proporcionar dicha curva de histéresis como parte de sus especificaciones.

Curvas B-H como la que se muestra en la Figura 4 ayudar a los diseñadores a visualizar el rendimiento de un inductor y su núcleo. En este ejemplo, H, medida en A / m, es la fuerza de magnetización en el dispositivo. Se mide en amperios / metro y es proporcional a la corriente:

La densidad de flujo resultante, B, es proporcional a la integral del voltaje en el dispositivo. La densidad de flujo magnético B, medida en unidades de Tesla, es la fuerza del campo magnético. Determina la fuerza que el campo magnético ejerce sobre una carga en movimiento.

Esta curva ofrece una serie de conocimientos importantes, que incluyen:

• Permeabilidad, µ. Medido en H / m. Esta es una característica del material del núcleo y es la velocidad a la que la fuerza de magnetización H (impulsada por la corriente) produce la densidad de flujo B (voltaje integrado). Es la pendiente de la curva B-H. Los diseñadores utilizan material de alta permeabilidad para habilitar inductores y transformadores físicamente más pequeños.
• Densidad de flujo de saturación. El punto en el que la fuerza de magnetización adicional, H, deja de producir una densidad de flujo incremental, B. Los diseñadores evitan la saturación en la mayoría de las aplicaciones de suministro de energía.
• Características de histéresis. La histéresis es el "ancho" de la curva e indica pérdida en las fuentes de alimentación. La mayoría de los diseños buscan utilizar materiales de núcleo magnéticamente "blandos" para minimizar la Remanencia Br, la densidad de flujo magnético que permanece en el material después de que la fuerza de magnetización, H, cae a cero y la fuerza coercitiva, o coercitividad c, el valor de H requerido para conducir la densidad de flujo, B, a cero.

Los indicios de inestabilidad potencial incluyen:

• La densidad de flujo máxima medida cerca de la densidad de flujo de saturación especificada por la hoja de datos del núcleo indica que el componente se está acercando a la saturación.
• Curvas BH que cambian de un ciclo a otro, lo que indica saturación. En una fuente de alimentación estable / eficiente, la curva BH tendrá una ruta de retorno simétrica y la trazará de manera consistente.

Se puede utilizar un osciloscopio para realizar una medición en circuito del voltaje y la corriente a través del devanado de un inductor. Dado el número de vueltas en el dispositivo, la longitud magnética del dispositivo y el área de la sección transversal del núcleo, es posible derivar los valores reales de B y H basados ​​en mediciones de voltaje y corriente en tiempo real usando un osciloscopio.

Para generar un gráfico B-H, debe medir el voltaje a través del elemento magnético y la corriente que fluye a través de él. En el caso de un transformador, las corrientes a través del devanado primario y secundario son de interés. Se conecta una sonda diferencial de alto voltaje a través del inductor o devanado primario del transformador. Una sonda de corriente mide la corriente a través del inductor o primario. Las sondas de corriente también se utilizan para medir la corriente a través de los devanados secundarios, si es necesario.

Figura 5 muestra las medidas magnéticas en un transformador de bobinado secundario múltiple. La forma de onda Ref1 (blanca) es el voltaje a través del inductor y la forma de onda Ref 2 (azul) es la corriente del inductor. En este caso, el wfm matemático (naranja), que es el wfm actual resultante, aparece porque el osciloscopio se configuró para probar múltiples devanados secundarios.

5. Esto muestra medidas magnéticas en múltiples transformadores de devanado secundario.

Curvas B-H para transformadores

Para medir las características magnéticas de un transformador en condiciones de funcionamiento, se debe tener cuidado de tener en cuenta la corriente que se transfiere al secundario. Al medir la curva B-H en un transformador, es útil considerar un elemento teórico llamado "inductor magnetizante".

La corriente de magnetización es la corriente que fluiría a través del primario del transformador cuando el secundario está abierto (descargado). En otras palabras, la corriente magnetizante no produce ninguna corriente en el secundario. Como se muestra en la Figura 6 , los transformadores se modelan con esta corriente de magnetización que fluye a través de un "inductor de magnetización" a través del primario. Generalmente, esto se usa para modelar las características de magnetización del material del núcleo.

6. En este esquema de transformador (izquierda) y circuito equivalente (derecha), la corriente de magnetización fluye a través de un inductor imaginario, LM, en paralelo con el primario. LM modela las características magnéticas del transformador.

Análisis de pérdidas

Las pérdidas en los componentes magnéticos contribuyen de manera significativa a la pérdida general de una fuente de alimentación. La pérdida del núcleo depende de las propiedades magnéticas del material e incluye la pérdida por histéresis y la pérdida por corrientes parásitas. La pérdida de cobre se debe a la resistencia de los devanados; también depende de la carga conectada al lado secundario de un transformador.

Se utilizan varias técnicas para estimar la pérdida del núcleo. Una técnica más popular es la fórmula empírica de Steinmetz, que relaciona la pérdida del núcleo con la frecuencia y la densidad de flujo:

donde k, ayb son constantes para el material del núcleo, generalmente tomadas de la hoja de datos del fabricante del núcleo. Las hojas de datos también pueden proporcionar estimaciones de pérdidas a diversas frecuencias y densidades de flujo que se dan normalmente en respuesta a la excitación sinusoidal. Sin embargo, en aplicaciones de energía, los componentes generalmente se activan con estímulos no sinusoidales, lo que genera incertidumbre en tales aproximaciones (Fig. 7) .

7. Ejemplo de una medición de pérdida magnética total.

El software Scope se puede utilizar para calcular la pérdida magnética total promediando la potencia de las formas de onda de voltaje y corriente, promedio (v (t) ∙ i (t)). Con este método, la pérdida magnética total incluye tanto la pérdida de cobre como la pérdida del núcleo. Esto se muestra en la Fig. 7, donde la medición de la pérdida magnética da la pérdida magnética total, incluida la pérdida del núcleo y del cobre. Puede encontrar la pérdida del núcleo en la hoja de datos del fabricante del componente y derivar la pérdida de cobre restando la pérdida del núcleo de la pérdida magnética total.

Los osciloscopios son capaces de calcular la pérdida magnética en un inductor de devanado único, un inductor de devanados múltiples o incluso un transformador. En el caso de un transformador de un solo devanado, se conecta una sonda diferencial para medir el voltaje a través del devanado primario. Una sonda de corriente mide la corriente a través del transformador. El software de medición de potencia puede calcular automáticamente la pérdida de potencia magnética.

Los inductores y transformadores desempeñan funciones clave en las fuentes de alimentación conmutadas, incluidos los filtros, el aumento / reducción, el aislamiento, el almacenamiento de energía y la oscilación. Para asegurarse de que funcionen como se espera, es necesario realizar mediciones exhaustivas en el circuito en condiciones de funcionamiento. Como hemos comentado, los osciloscopios modernos equipados con software de análisis de potencia ofrecen configuraciones rápidas y una repetibilidad mejorada.