Melakukan Pengukuran In-Circuit Inductor dan Transformer di SMPS

oleh Wilson Lee, Manajer Pemasaran Teknis di Tektronix.

Induktor dan transformator berperan penting dalam catu daya mode sakelar. Memastikan mereka bekerja seperti yang diharapkan membutuhkan pengukuran sirkuit menyeluruh yang dilakukan di bawah kondisi operasi. Inilah yang perlu Anda ketahui.

Dalam catu daya mode sakelar (SMPS), komponen magnetik, yaitu induktor dan transformator, memainkan peran penting. Sebagian besar proses desain SMPS bergantung pada spesifikasi komponen dan model simulasi. Namun, karena kondisi sinyal aktual, parasit, suhu, dan faktor lingkungan lain yang memengaruhi kinerja komponen magnetik, catu daya mungkin tidak berfungsi persis seperti yang diprediksi oleh spesifikasi dan simulasi. Akibatnya, pengukuran induktor dan transformator dalam rangkaian dalam kondisi pengoperasian sangat penting untuk memastikan kinerja dunia nyata yang andal.

Dengan alat yang tepat, membuat pengukuran ini tidak harus sulit atau memakan waktu. Kami pertama-tama akan meninjau teori dasar induktor dan transformator, terutama yang berkaitan dengan pengukuran dalam rangkaian. Kami kemudian akan mempelajari penggunaan osiloskop dan probe selama operasi catu daya, dan menjelajahi penggunaan pengukuran induksi dan kurva B-H untuk mendapatkan wawasan kinerja.

Teori Induktor

Hukum Faraday dan Lentz memberi tahu kita bahwa arus yang melalui induktor dan tegangan melintasi induktor terkait sebagai:

Ini menunjukkan bahwa induktansi dapat dianggap sebagai sejauh mana arus yang berubah menghasilkan tegangan yang berlawanan. Dengan mengintegrasikan, mengatur ulang, dan mengabaikan tanda, kita dapat memperoleh:

Ini mengungkapkan bahwa induktansi dapat ditentukan sebagai fungsi dari tegangan dan arus dari waktu ke waktu. Pengukuran domain waktu seperti itu paling baik dilakukan dengan menggunakan osiloskop yang dilengkapi dengan probe tegangan, probe arus, dan kemampuan untuk melakukan integrasi dan plot X versus Y.

Berbeda dengan induktor teoretis, nilai induktansi induktor nyata tergantung pada level arus, suhu, dan frekuensi operasi. Dalam catu daya, karakteristik ini bervariasi secara real time dengan kondisi pengoperasian.

1. Induktor dasar adalah lilitan kumparan pada inti feromagnetik tertutup. Arus sebesar I ampere mengalir melalui kumparan yang memiliki N lilitan. Induktansi kumparan menggambarkan hubungan antara arus yang mengalir dalam kumparan dan fluks magnet.

Sebagai contoh, induktansi toroid pada Gambar 1 dapat didekati dengan:

di mana adalah permeabilitas magnetik inti; N adalah jumlah lilitan kawat pada toroida; r adalah jari-jari inti dari garis tengah putus-putus dalam cm; dan A adalah luas penampang inti dalam cm ² (diasumsikan relatif kecil terhadap jari-jari toroid).

Karena jumlah putaran ini dikuadratkan, ini adalah kontributor terbesar untuk induktansi. Selanjutnya, permeabilitas bahan inti memainkan peran penting. Namun, nilai induktansi juga terkait dengan ukuran fisik komponen. Untuk meminimalkan ukuran induktor, sebagian besar induktor dalam elektronik menggunakan bahan inti yang memiliki permeabilitas jauh lebih tinggi daripada udara.

Singkatnya, karakteristik material inti dan geometri sangat penting dalam menentukan induktansi pada berbagai kondisi operasi, serta kehilangan daya pada perangkat.

Pengukuran Induktansi

Perancang catu daya biasanya menggunakan teknik simulasi untuk menentukan nilai induktor yang sesuai untuk suatu desain. Setelah membuat induktor, praktik umum adalah memverifikasi induktansi menggunakan pengukur LCR. Namun, sebagian besar pengukur LCR merangsang komponen dengan sinusoid pada rentang frekuensi yang sempit, jadi meskipun ini adalah teknik yang baik untuk memastikan bahwa komponen tersebut kira-kira memiliki nilai yang benar, ini adalah prediktor kinerja dalam rangkaian yang buruk.

Karakteristik induktansi induktor bergantung pada sinyal eksitasi sumber arus dan tegangan, bentuk gelombang, dan frekuensi operasi, yang dapat bervariasi dalam kondisi operasi waktu nyata. Oleh karena itu, penting untuk mengukur dan mengamati perilaku induktor di lingkungan catu daya yang berubah secara dinamis.

Pengukuran ini dilakukan dengan memeriksa tegangan di seluruh perangkat, biasanya dengan probe tegangan diferensial. Sebuah probe saat ini biasanya digunakan untuk mengukur arus melalui komponen magnetik. Untuk menentukan induktansi, perangkat lunak analisis daya berbasis ruang lingkup mengintegrasikan tegangan dari waktu ke waktu dan membaginya dengan perubahan arus. Ini juga menghilangkan offset dc dan menggunakan rata-rata untuk menghitung nilai induktansi.

Saat mengukur induktansi transformator, penting untuk menghindari memuat belitan sekunder. Mengukur induktansi pada belitan primer dalam kondisi tanpa beban sama dengan mengukur induktansi untuk induktor belitan tunggal. Saat Anda mengukur induktansi induktor yang digabungkan dengan beberapa belitan pada inti yang sama, nilai induktansi yang diukur akan menyimpang dari nilai sebenarnya, karena pengaruh arus pada belitan lainnya.

Dalam Gambar 2 , pengukuran induktansi memberikan nilai induktansi rata-rata dalam henries. Bentuk gelombang kuning (CH1) adalah tegangan yang melintasi induktor dan bentuk gelombang biru (CH2) adalah arus yang melalui induktor. Plot di sebelah kiri menunjukkan arus, i versus vdt, yang kemiringannya adalah induktansi.

2. Nilai induktansi rata-rata dalam henries.

Gambar 3 menunjukkan pengukuran I vs. V, yang memberikan wawasan tambahan tentang kinerja induktor. Di sini Anda dapat melihat bias dc apa pun yang terbentuk selama beberapa siklus. Bentuk gelombang kuning (CH1) adalah tegangan yang melintasi induktor dan bentuk gelombang biru (CH2) adalah arus yang melalui induktor.

3. Ini menunjukkan pengukuran I vs. V, yang memberikan wawasan tambahan tentang kinerja induktor. Di sini Anda dapat melihat bias dc apa pun yang terbentuk selama beberapa siklus. Bentuk gelombang kuning (CH1) adalah tegangan yang melintasi induktor dan bentuk gelombang biru (CH2) adalah arus yang melalui induktor.

Pengukuran Kurva B-H

Komponen catu daya magnetik dirancang untuk tegangan operasi yang diharapkan, arus, topologi, dan jenis konverter daya tertentu. Daerah operasi induktor dan trafo membantu menentukan stabilitas SMPS. Namun, karakteristik pengoperasian catu daya dapat bervariasi selama penyalaan, pengoperasian kondisi tunak, perubahan beban, dan perubahan lingkungan, sehingga sangat sulit untuk mempertimbangkan semua skenario yang mungkin selama proses desain.

Untuk memastikan stabilitas catu daya, penting untuk mengkarakterisasi wilayah operasi komponen magnetik di SMPS. Umumnya, tujuannya adalah untuk menghindari kejenuhan dan beroperasi di wilayah linier dari kurva histeresis. Namun, sangat sulit untuk merancang komponen magnetik dan memastikannya akan beroperasi di wilayah linier dalam semua kondisi.

4. Produsen bahan inti dapat menyediakan kurva histeresis seperti itu sebagai bagian dari spesifikasi mereka.

Kurva B-H seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 membantu desainer memvisualisasikan kinerja induktor dan intinya. Dalam contoh ini, H, diukur dalam A/m, adalah gaya magnetisasi dalam perangkat. Diukur dalam ampere/meter dan sebanding dengan arus:

Kerapatan fluks yang dihasilkan, B, sebanding dengan integral tegangan melintasi perangkat. Kerapatan fluks magnet B, diukur dalam satuan Tesla, adalah kekuatan medan magnet. Ini menentukan gaya yang diberikan pada muatan yang bergerak oleh medan magnet.

Kurva ini menawarkan sejumlah wawasan penting, termasuk:

• Permeabilitas, . Diukur dalam H/m. Ini adalah karakteristik bahan inti, dan ini adalah kecepatan gaya magnetisasi H (didorong oleh arus) menghasilkan kerapatan fluks B (tegangan terintegrasi). Ini adalah kemiringan kurva B-H. Desainer menggunakan bahan berpermeabilitas tinggi untuk mengaktifkan induktor dan transformator yang secara fisik lebih kecil.
• Kerapatan fluks saturasi. Titik di mana gaya magnetisasi tambahan, H, berhenti menghasilkan kerapatan fluks tambahan, B. Desainer menghindari kejenuhan di sebagian besar aplikasi catu daya.
• Karakteristik histeresis. Histeresis adalah "lebar" kurva dan menunjukkan hilangnya pasokan listrik. Sebagian besar desain berusaha menggunakan bahan inti "lunak" secara magnetis untuk meminimalkan Remanensi Br, kerapatan fluks magnet yang tersisa dalam bahan setelah gaya magnetisasi, H, turun menjadi nol dan gaya koersif, atau koersivitas c, nilai H yang diperlukan untuk menggerakkan kerapatan fluks, B, menjadi nol.

Indikasi potensi ketidakstabilan meliputi:

• Kerapatan fluks puncak yang terukur mendekati kerapatan fluks saturasi yang ditentukan oleh lembar data inti menunjukkan bahwa komponen semakin mendekati saturasi.
• Kurva BH yang berubah dari siklus ke siklus, menunjukkan saturasi. Dalam catu daya yang stabil/efisien, kurva BH akan memiliki jalur balik yang simetris dan akan menelusuri jalur ini secara konsisten.

Osiloskop dapat digunakan untuk melakukan pengukuran tegangan dalam rangkaian, dan arus yang melalui, belitan induktor. Mengingat jumlah lilitan pada perangkat, panjang magnetik perangkat, dan luas penampang inti, nilai B dan H aktual dapat diturunkan berdasarkan pengukuran tegangan dan arus waktu nyata menggunakan osiloskop.

Untuk menghasilkan plot B-H, Anda perlu mengukur tegangan melintasi elemen magnetik dan arus yang mengalir melaluinya. Dalam kasus trafo, arus yang melalui gulungan primer dan sekunder menarik. Probe diferensial tegangan tinggi dihubungkan melintasi induktor atau belitan primer transformator. Sebuah probe saat ini mengukur arus melalui induktor atau primer. Probe arus juga digunakan untuk mengukur arus yang melalui gulungan sekunder, jika diperlukan.

Gambar 5 menunjukkan pengukuran magnetik pada transformator berliku multi sekunder. Bentuk gelombang Ref1 (putih) adalah tegangan melintasi induktor dan bentuk gelombang Ref 2 (biru) adalah arus induktor. Dalam hal ini, matematika wfm (oranye), yang merupakan resultan wfm saat ini, muncul karena ruang lingkup telah disiapkan untuk menguji beberapa gulungan sekunder.

5. Ini menunjukkan pengukuran magnetik pada beberapa transformator belitan sekunder.

Kurva B-H untuk Transformer

Untuk mengukur karakteristik magnetik transformator dalam kondisi operasi, perhatian harus diberikan untuk memperhitungkan arus yang ditransfer ke sekunder. Saat mengukur kurva B-H pada transformator, ada baiknya mempertimbangkan elemen teoretis yang disebut "induktor magnetisasi".

Arus magnetisasi adalah arus yang akan mengalir melalui primer transformator ketika sekunder terbuka (dibongkar). Dengan kata lain, arus magnetisasi tidak menghasilkan arus apa pun di sekunder. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6 , transformator dimodelkan dengan arus magnetisasi yang mengalir melalui "induktor magnetisasi" melintasi primer. Umumnya, ini digunakan untuk memodelkan karakteristik magnetisasi bahan inti.

6. Dalam skema transformator ini (kiri) dan rangkaian ekivalen (kanan), arus magnetisasi mengalir melalui induktor imajiner, LM, secara paralel dengan induktor primer. LM memodelkan karakteristik magnetik transformator.

Analisis Kerugian

Rugi-rugi pada komponen magnetik merupakan kontributor yang signifikan terhadap kerugian keseluruhan pada catu daya. Rugi inti tergantung pada sifat magnetik material dan termasuk rugi histeresis dan rugi arus eddy. Rugi tembaga dihasilkan dari resistansi belitan; itu juga tergantung pada beban yang terhubung ke sisi sekunder transformator.

Sejumlah teknik digunakan untuk memperkirakan kerugian inti. Satu lagi teknik yang populer adalah rumus empiris Steinmetz, yang menghubungkan kehilangan inti dengan frekuensi dan kerapatan fluks:

di mana k, a, dan b adalah konstanta untuk bahan inti, umumnya diambil dari lembar data pabrikan inti. Lembar data juga dapat memberikan perkiraan kerugian pada berbagai frekuensi dan kerapatan fluks yang biasanya diberikan sebagai respons terhadap eksitasi sinusoidal. Namun, dalam aplikasi daya, komponen biasanya digerakkan dengan rangsangan non-sinusoidal, menyebabkan ketidakpastian dalam perkiraan tersebut (Gbr. 7) .

7. Contoh pengukuran kerugian magnetik total.

Perangkat lunak lingkup dapat digunakan untuk menghitung kerugian magnetik total dengan daya rata-rata bentuk gelombang tegangan dan arus, rata-rata (v(t) i(t)). Dengan metode ini, kerugian magnetik total mencakup kerugian tembaga dan kerugian inti. Ini ditunjukkan Gambar. 7, di mana pengukuran kerugian magnetik memberikan kerugian magnetik total, termasuk kerugian inti dan tembaga. Anda dapat menemukan rugi inti dari lembar data produsen komponen dan memperoleh rugi tembaga dengan mengurangkan rugi inti dari rugi magnet total.

Lingkup mampu menghitung kerugian magnetik dalam induktor belitan tunggal, induktor belitan ganda, atau bahkan transformator. Dalam kasus transformator belitan tunggal, probe diferensial dihubungkan untuk mengukur tegangan pada belitan primer. Probe arus mengukur arus yang melalui transformator. Perangkat lunak pengukuran daya kemudian dapat secara otomatis menghitung kehilangan daya magnetik.

Induktor dan transformator berperan penting dalam catu daya mode sakelar, termasuk filter, step-up/step-down, isolasi, penyimpanan energi, dan osilasi. Memastikan mereka bekerja seperti yang diharapkan membutuhkan pengukuran sirkuit menyeluruh yang dilakukan di bawah kondisi operasi. Seperti yang telah kita diskusikan, osiloskop modern yang dilengkapi dengan perangkat lunak analisis daya menawarkan penyiapan yang cepat dan pengulangan yang lebih baik.