在 SMPS 中执行在线电感器和变压器测量

作者：泰克技术营销经理 Wilson Lee。

电感器和变压器在开关模式电源中起着关键作用。确保它们按预期运行需要在工作条件下进行彻底的在线测量。这是您需要了解的内容。

在开关电源 (SMPS) 中，磁性元件，即电感器和变压器，起着至关重要的作用。许多 SMPS 设计过程依赖于组件规格和仿真模型。然而，由于实际信号条件、寄生参数、温度和其他影响磁性元件性能的环境因素，电源的性能可能与规格和模拟所预测的不完全一样。因此，在操作条件下对电感器和变压器进行在线测量对于确保可靠的实际性能至关重要。

有了合适的工具，进行这些测量就不会很困难或很耗时。我们将首先回顾电感器和变压器的基本理论，尤其是与在线测量相关的理论。然后，我们将介绍在电源操作期间如何使用示波器和探头，并探索如何使用感应测量和 B-H 曲线来深入了解性能。

电感理论

法拉第定律和伦茨定律告诉我们，通过电感器的电流和电感器两端的电压的关系如下：

这表明电感可以被认为是变化的电流导致相反电压的程度。通过对符号进行积分、重新排列和忽略，我们可以得到：

这表明可以将电感确定为电压和电流随时间的函数。这种时域测量最好使用配备有电压探头、电流探头以及执行积分和绘制 X 与 Y 曲线的能力的示波器来完成。

与理论电感相比，实际电感的电感值取决于电流水平、温度和工作频率。在电源中，这些特性随工作条件实时变化。

1.基本电感器是缠绕在封闭铁磁芯上的线圈。 I 安培的电流流过有 N 匝的线圈。线圈的电感描述了线圈中流动的电流与磁通量之间的关系。

例如，图 1 中环形线圈的电感 可以近似为：

其中 µ 是磁芯的磁导率； N是环形线圈上的导线匝数； r 为中心距虚线中心线的半径，单位为 cm； A是芯的横截面积，cm ² （假设相对于环形半径较小）。

由于此匝数是平方数，因此它是电感的最大贡献者。此外，核心材料的渗透性起着重要作用。但是，电感值也与元件的物理尺寸有关。为了最小化电感器的尺寸，电子产品中的大多数电感器使用磁导率远高于空气的磁芯材料。

简而言之，磁芯材料和几何形状的特性对于确定各种工作条件下的电感以及器件的功率损耗至关重要。

电感测量

电源设计人员通常使用仿真技术来确定设计的合适电感值。制造电感器后，通常的做法是使用 LCR 表来验证电感。然而，大多数 LCR 表在较窄的频率范围内用正弦波激励组件，因此虽然这是确认组件大致正确值的好方法，但它不能很好地预测电路内性能。

电感器的电感特性取决于电流和电压源激励信号、波形和工作频率，这些因素可能会在实时工作条件下发生变化。因此，在动态变化的电源环境中测量和观察电感器的行为非常重要。

这些测量是通过探测设备两端的电压来进行的，通常使用差分电压探头。电流探头通常用于测量通过磁性元件的电流。为了确定电感，基于示波器的功率分析软件将电压随时间积分并除以电流变化。它还去除了任何直流偏移并使用平均值来计算电感值。

在测量变压器的电感时，重要的是要避免对次级绕组施加负载。在空载条件下测量初级绕组的电感等效于测量单绕组电感器的电感。当您测量同一磁芯上有多个绕组的耦合电感器的电感时，由于电流对其他绕组的影响，电感的测量值会与实际值有所偏差。

在图 2 ，电感测量给出了以亨利为单位的平均电感值。黄色波形 (CH1) 是电感两端的电压，蓝色波形 (CH2) 是通过电感的电流。左图显示了电流 i 与 ∫vdt 的关系，其斜率是电感。

2.以亨利为单位的平均电感值。

图 3 显示了 I vs. ∫V 测量值，它提供了关于电感器性能的更多信息。在这里您可以看到任何直流偏置，因为它在多个周期内累积。黄色波形（CH1）是电感两端的电压，蓝色波形（CH2）是通过电感的电流。

3.这显示了 I vs. ∫V 测量值，它提供了关于电感器性能的更多信息。在这里您可以看到任何直流偏置，因为它在多个周期内累积。黄色波形 (CH1) 是电感两端的电压，蓝色波形 (CH2) 是通过电感的电流。

B-H 曲线测量

磁性电源组件专为预期的工作电压、电流、拓扑结构和特定类型的电源转换器而设计。电感器和变压器的工作区域有助于确定 SMPS 的稳定性。然而，电源工作特性在上电、稳态工作、负载变化和环境变化期间可能会发生变化，因此在设计过程中很难考虑所有可能的情况。

为了确保电源的稳定性，表征 SMPS 中磁性元件的工作区域非常重要。通常，目标是避免饱和并在滞后曲线的线性区域内工作。然而，设计一个磁性元件并确保它在所有条件下都工作在线性区域是极其困难的。

4.磁芯材料制造商可能会提供这样的滞后曲线作为其规格的一部分。

B-H 曲线类似于图 4 帮助设计人员可视化电感器及其磁芯的性能。在此示例中，H（以 A/m 为单位）是设备中的磁化力。它以安培/米为单位，与电流成正比：

产生的磁通密度 B 与器件两端电压的积分成正比。以特斯拉为单位测量的磁通密度 B 是磁场的强度。它决定了磁场对运动电荷施加的力。

该曲线提供了许多重要的见解，包括：

• 渗透率，μ。 以 H/m 为单位。这是磁芯材料的一个特性，它是磁化力 H（由电流驱动）产生磁通密度 B（积分电压）的速率。它是 B-H 曲线的斜率。设计师使用高磁导率材料来实现体积更小的电感器和变压器。
• 饱和磁通密度。 额外磁化力 H 停止产生增量磁通密度 B 的点。设计人员在大多数电源应用中避免饱和。
• 滞后特性。 迟滞是曲线的“宽度”，表示电源损耗。大多数设计寻求使用磁性“软”磁芯材料来最小化剩磁 Br，即磁化力 H 降至零和矫顽力或矫顽力 c 后，材料中保留的磁通密度，即驱动所需的 H 值通量密度 B 为零。

潜在的不稳定迹象包括：

• 测得的峰值磁通密度接近磁芯数据表指定的饱和磁通密度，表明该组件正接近饱和。
• BH 曲线随周期变化，表示饱和。在稳定/高效的电源中，BH 曲线将具有对称的返回路径，并将始终如一地跟踪该路径。

示波器可用于对电感绕组两端的电压和电流进行在线测量。考虑到器件的匝数、器件的磁性长度和磁芯的横截面积，可以根据使用示波器的实时电压和电流测量值推导出实际 B 和 H 值。

要生成 B-H 图，您需要测量磁性元件两端的电压和流过它的电流。在变压器的情况下，通过初级和次级绕组的电流是重要的。高压差分探头连接在变压器的电感器或初级绕组上。电流探头测量通过电感器或初级的电流。如果需要，电流探头还可用于测量通过次级绕组的电流。

图 5 显示了多次级绕组变压器的磁性测量。 Ref1（白色）波形是电感两端的电压，Ref 2（蓝色）波形是电感电流。在这种情况下，数学 wfm（橙色），即合成电流 wfm，出现是因为示波器被设置为测试多个次级绕组。

5.这显示了对多个次级绕组变压器的磁性测量。

变压器的 B-H 曲线

要在工作条件下测量变压器的磁特性，必须注意传输到次级的电流。在测量变压器的 B-H 曲线时，考虑一个称为“磁化电感器”的理论元素会很有帮助。

励磁电流是当次级开路（空载）时流过变压器初级的电流。换句话说，磁化电流不会在次级产生任何电流。如图6所示 ，变压器是用流过初级的“磁化电感器”的磁化电流建模的。一般用于对磁芯材料的磁化特性进行建模。

6.在这个变压器原理图（左）和等效电路（右）中，磁化电流流过一个与初级并联的虚电感 LM。 LM对变压器的磁特性进行建模。

损失分析

磁性元件的损耗是电源整体损耗的重要原因。磁芯损耗取决于材料的磁性，包括磁滞损耗和涡流损耗。铜损由绕组电阻引起；它还取决于连接到变压器次级侧的负载。

许多技术用于估计磁芯损耗。一种更流行的技术是 Steinmetz 经验公式，它将磁芯损耗与频率和磁通密度联系起来：

其中 k、a 和 b 是磁芯材料的常数，通常取自磁芯制造商的数据表。数据表还可以给出各种频率和通量密度下的损耗估计，这些频率和通量密度通常是在响应正弦激励时给出的。然而，在电源应用中，组件通常由非正弦激励驱动，导致这种近似的不确定性（图 7） .

7.总磁损耗测量示例。

Scope 软件可用于通过平均电压和电流波形的功率，平均值 (v(t) ∙ i(t)) 来计算总磁损耗。使用这种方法，总磁损包括铜损和铁损。如图 7 所示，其中磁损耗测量给出了总磁损耗，包括磁芯和铜损耗。您可以从组件制造商的数据表中找到磁芯损耗，并通过从总磁损耗中减去磁芯损耗来推导出铜损耗。

示波器能够计算单绕组电感器、多绕组电感器甚至变压器的磁损耗。在单绕组变压器的情况下，连接差分探头以测量初级绕组两端的电压。电流探头测量通过变压器的电流。然后功率测量软件可以自动计算磁功率损耗。

电感器和变压器在开关模式电源中起着关键作用，包括滤波器、升压/降压、隔离、能量存储和振荡。确保它们按预期运行需要在工作条件下进行彻底的在线测量。正如我们所讨论的，配备功率分析软件的现代示波器可提供快速设置和更高的可重复性。