Trong lĩnh vực điện tử hiện nay, để chuyển đổi điện áp DC sang các mức điện áp thấp hơn với hiệu suất cao, các kỹ sư thường sử dụng các bộ biến đổi Buck đồng bộ (hay synchronous buck converter). Một số các thiết bị ứng dụng các bộ biến đổi này có thể kể đến như bộ xử lý máy tính, card đồ họa, thiết bị viễn thông hay các bộ điều khiển công nghiệp. Điều này xuất phát từ việc các thiết bị này cần duy trì kích thước nhỏ gọn và tổn hao thấp trong khi vẫn phải cung cấp dòng điện ổn định cho tải.

Tuy nhiên, một bộ nguồn sẽ có những trạng thái hoạt động khác nhau tương ứng với từng mức độ của tải. Trong đó, khi tải nhẹ các bộ nguồn sẽ hoạt động bình thường, tuy nhiên khi dòng tải tăng cao thì các bộ nguồn sẽ xuất hiện một số các hiện tượng như sụt áp đầu ra, nhiệt độ tăng hay có thể ngừng hoạt động. Hiện tượng này có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau, như cách thức hoạt động của MOSFET, mạch điều khiển, tụ điện đầu ra hoặc cuộn cảm. Tại đó, các vấn đề ảnh hưởng từ cuộn cảm thường bị đánh giá thấp hơn. Nhiệm vụ chính của cuộn cảm là tích trữ năng lượng từ trường và truyền năng lượng đến tải theo từng chu kỳ đóng cắt. Tuy nhiên, mối quan hệ giữa khả năng tích trữ năng lượng của cuộn cảm và dòng điện lại không tuyến tính, trong đó lõi từ có thể tiến đến trạng thái bão hòa khi dòng điện của cuộn cảm vượt qua một ngưỡng nhất định. Khi đó, độ tự cảm sẽ giảm xuống làm dòng điện thay đổi nhanh hơn, từ đó gia tăng các áp lực lên các bộ biến đổi. Nghiêm trọng hơn, khi thử nghiệm ở các điều kiện tải nhẹ và tải trung bình thì các hiện tượng này gần như không xuất hiện, chỉ khi hệ thống phải xử lý tải lớn, có dòng khởi động hay những biến động tải đột ngột thì hệ thống mới bộc lộ các yếu điểm nêu trên. Chính vì vậy, một trong những yêu cầu quan trọng khi thiết kế và kiểm tra bộ nguồn chuyển mạch là các kỹ sư phải hiểu đúng về hiện tượng bão hòa cuộn cảm.

Nguyên lý hoạt động của cuộn cảm trong bộ Buck đồng bộ

Theo nguyên lý hoạt động, một bộ Buck đồng bộ điển hình thường bao gồm hai MOSFET có vai trò chuyển mạch phía cao và phía thấp, một cuộn cảm đầu ra cùng các tụ điện lọc. Ngoài ra, việc điều chỉnh năng lượng truyền từ nguồn đầu vào đến tải sẽ được hỗ trợ thông qua bộ điều khiển luân phiên. Trong đó, điện áp đặt lên cuộn cảm sẽ tạo ra dòng điện tăng dần và năng lượng sẽ được tích trữ trong từ trường khi MOSFET phía cao bật. Ngược lại, dòng điện sẽ tiếp tục chạy qua cuộn cảm, giải phóng năng lượng để duy trì dòng tải khi MOSFET phía cao tắt và MOSFET phía thấp bật. Ở tần số chuyển mạch cao, quá trình này sẽ lặp lại, tạo ra điện áp đầu ra thấp hơn và tương đối ổn định. Trong điều kiện hoạt động lý tưởng, các yếu tố như điện áp đặt lên cuộn cảm, độ tự cảm và thời gian chuyển mạch sẽ ảnh hưởng đến tốc độ biến đổi dòng điện qua cuộn cảm. Vì vậy, dòng điện thay đổi càng chậm khi cùng một điện áp và trong cùng một khoảng thời gian, thì độ tự cảm càng lớn. 

Từ những vấn đề nêu trên, để hạn chế độ gợn dòng điện (inductor ripple current), cuộn cảm đóng vai trò vô cùng quan trọng. Dòng điện có thể tăng nhanh hơn trong mỗi chu kỳ chuyển mạch khi độ tự cảm giảm thấp hơn dự kiến. Khi đó, bộ điều khiển vẫn có thể tạo ra các xung điều khiển theo đúng thiết kế; tuy nhiên, dòng điện thực tế qua cuộn cảm sẽ không còn tuân theo các hành vi ban đầu. Ngoài ra, MOSFET phía thấp sẽ tạo ra đường dẫn dòng điện trong khoảng thời gian MOSFET phía cao tắt trong bộ Buck đồng bộ. Chính những điều này đã giúp giảm đáng kể tổn hao so với việc sử dụng diode trong các ứng dụng khác nhau. Tuy nhiên, điều này không đồng nghĩa với việc mạch sẽ miễn nhiễm với bão hòa khi hiệu suất chuyển đổi cao. Bởi vậy, toàn bộ lợi thế của cấu trúc đồng bộ có thể bị ảnh hưởng nếu cuộn cảm không được lựa chọn phù hợp.

Mối quan hệ giữa từ trường và dòng điện

Theo nguyên lý, dòng điện chạy qua các vòng dây sẽ tạo ra từ trường và chúng sẽ được lưu trữ bởi các cuộn cảm. Chính vì vậy, với kích thước nhỏ gọn của lõi từ, chúng sẽ giúp tập trung từ thông và đạt được độ tự cảm cần thiết. Độ tự cảm có thể được xem là tương đối ổn định khi hoạt động trong vùng bình thường và sẽ tăng khi dòng điện tăng lên. Tuy nhiên, các vật liệu từ vẫn tồn tại những giới hạn về khả năng đáp ứng với từ trường bên ngoài. Trong đó, mức tăng từ thông sẽ không còn tương ứng với mức tăng cường độ từ trường khi lõi tiến gần đến vùng bão hòa. 

Trong khía cạnh mạch điện, các kỹ sư cần quan tâm đến các dấu hiệu về mức độ giảm của độ tự cảm khi dòng điện tăng. Một số các yếu tố ảnh hưởng đến mức giảm này có thể kể đến như vật liệu lõi, cấu trúc cuộn cảm, khe hở không khi, nhiệt độ hay đặc tính của linh kiện của thể.

Cách lựa chọn cuộn cảm để tránh hiện tượng bão hòa

Hiện nay, một số cách lựa chọn cuộn cảm cơ bản để tránh hiện tượng bão hòa thường bao gồm xác định dòng điện đỉnh, phân biệt dòng bão hòa và dòng định mức nhiệt, hay kích thước và tần số chuyển mạch của cuộn cảm. Đối với việc xác định dòng điện đỉnh, điều này là do mỗi cuộn cảm thường cần có dòng bão hòa cao hơn dòng đỉnh dự kiến. Các kỹ sư có thể xác định điều này thông qua điều kiện vận hành và tiêu chí của nhà sản xuất. Đối với việc phân biệt dòng bão hòa và dòng định mức nhiệt, các kỹ sư cần xem xét cả hai giới hạn để đảm bảo đáp ứng đủ các yêu cầu về đặc tính độ tự cảm dòng điện và nhiệt độ theo dữ liệu của nhà sản xuất. Đối với việc cân bằng độ tự cảm, kích thước và tần số chuyển mạch, các kỹ sư cần đặc biệt quan tâm để đáp ứng các yêu cầu về mặt chi phí, dung lượng và tổn hao.