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May 31, 2023

Scelta dei valori dell'induttore per il passo

Un convertitore buck, chiamato anche convertitore step-down, è un regolatore di tensione in modalità commutazione che converte in modo efficiente una tensione di ingresso CC in una tensione di uscita CC inferiore. In questa serie di articoli, siamo

Un convertitore buck, chiamato anche convertitore step-down, è un regolatore di tensione in modalità commutazione che converte in modo efficiente una tensione di ingresso CC in una tensione di uscita CC inferiore. In questa serie di articoli utilizzeremo LTspice per studiare il comportamento elettrico di un convertitore di tensione a commutazione. Questo articolo inizierà a esplorare le attività di progettazione e i compromessi relativi all'induttore del circuito.

Lo schema LTspice mostrato nella Figura 1 ci consentirà di simulare lo stadio di potenza di un convertitore buck. Per essere un convertitore completo, dovremmo aggiungere un circuito di controllo di feedback per regolare la tensione.

Una nota applicativa di Texas Instruments fornisce la seguente equazione per il calcolo della dimensione dell'induttore:

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Ognuno di questi termini richiede qualche spiegazione:

VOUT: Questa è la tensione di uscita regolata per la quale desideri progettare. Potresti finire per utilizzare il tuo regolatore con una tensione di uscita più alta o più bassa, e va bene, ma se apporti una modifica importante nella tensione di uscita, il convertitore potrebbe beneficiare di un nuovo valore di induttanza.

VIN:Allo stesso modo, spesso ci aspettiamo che un regolatore a commutazione tolleri un intervallo di tensioni di ingresso, quindi se il tuo VIN non è fisso, puoi scegliere un valore a metà dell'intervallo.

fS (frequenza di commutazione): Devi pensare alla frequenza di commutazione prima di poter calcolare il valore dell'induttanza. Qualcosa tra 200 kHz e 2 MHz è un punto di partenza ragionevole. Se desideri qualche indicazione su come preferire il limite inferiore o superiore di tale intervallo, dai un'occhiata al mio articolo intitolato Come scegliere la frequenza del tuo regolatore di commutazione.

ΔIL:Ciò indica l'ondulazione della corrente dell'induttore, ovvero la variazione da picco a picco della corrente dell'induttore, come illustrato nella Figura 2

In risposta all'azione on/off dell'elemento di commutazione, la corrente dell'induttore in un convertitore buck aumenta e diminuisce, estendendosi sopra e sotto la corrente di carico (che è il valore medio della corrente dell'induttore). L'entità di queste deviazioni è espressa come ondulazione della corrente dell'induttore (ΔIL).

Se esprimiamo l'ondulazione di corrente (CR) come percentuale della corrente di carico prevista, la specifica CR consigliata è del 30%. Ciò significa che la corrente massima dell'induttore è superiore del 15% alla corrente di carico prevista e che la corrente minima dell'induttore è inferiore del 15% alla corrente di carico prevista.

Potresti visualizzare termini come "corrente di carico massima" o "corrente a pieno carico" invece di "corrente di carico prevista". Interpreto tutti questi come la corrente di carico più alta che il regolatore dovrà fornire a lungo termine. Non prenderei in considerazione correnti transitorie insolitamente elevate quando si imposta un target ΔIL.

Lavoriamo attraverso un esempio di dimensionamento dell'induttore. Cambieremo vari parametri nel mio circuito LTspice in modo da fare davvero qualcosa di nuovo qui.

Immaginiamo che il nostro obiettivo sia accettare una tensione di sistema abbastanza elevata e generare un rail di tensione adatto a un sistema embedded a segnale misto a bassa potenza. Diremo che la nostra tensione di ingresso nominale è 24 V e la tensione di uscita desiderata è 3,3 V. La corrente di carico prevista è 70 mA.

Per questo tipo di applicazione è preferibile un regolatore a commutazione perché l'ampio differenziale ingresso-uscita non farebbe altro che intensificare l'inefficienza intrinseca di un regolatore lineare.

Poiché alimenteremo alcuni circuiti analogici, voglio ridurre l'ondulazione nella tensione di uscita. Inoltre, opterò per una frequenza di commutazione più elevata, diciamo 1,5 MHz, perché frequenze di commutazione più elevate aiutano a ridurre il ripple di uscita.

Dobbiamo anche scegliere un ciclo di lavoro iniziale. Per questo, possiamo utilizzare il ciclo di lavoro massimo di cui avrà bisogno il circuito per la tensione di ingresso e di uscita specificata e calcoliamo il ciclo di lavoro massimo come segue:

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{efficienza}}$$

Un'approssimazione ragionevole per l'efficienza è del 90%, quindi il nostro ciclo di lavoro massimo è di circa il 15%: