So wählen Sie einen Induktor für Ihren Abwärtswandler aus

Zachariah Peterson
|  Created: April 29, 2020  |  Updated: December 27, 2020
So wählen Sie einen Induktor für Ihren Abwärtswandler aus

Ein Schaltnetzteil ist eines jener leisen (und dennoch elektrisch lauten) Geräte, die dafür sorgen, dass Ihre Elektronik reibungslos funktioniert. Sie sitzen im Hintergrund und erfüllen leise ihre Pflicht, doch Ihre Platine würde ohne sie nicht funktionieren. Als Teil des Gleichspannungswandler-Designs für stromhungrige Anwendungen ist die Auswahl der Komponenten sehr wichtig, um eine stabile Stromversorgung einer Last mit hohem Wirkungsgrad sicherzustellen.

Unter den zahlreichen Gleichspannungswandler-Topologien findet ein Abwärtswandler viele Verwendungsmöglichkeiten, um die Eingangsspannung auf ein niedrigeres Niveau zu senken und gleichzeitig eine hocheffiziente Leistungswandlung zu gewährleisten. Im Zusammenhang mit den Komponenten stellt sich häufig die Frage nach der Auswahl eines Induktors für einen Abwärtswandler. Bei der Arbeit mit einem Induktor und anderen Komponenten in einem Abwärtswandler geht es primär darum, den Leistungsverlust durch Wärme zu begrenzen und gleichzeitig die Stromwelligkeit zu minimieren.

Induktoren in einem Abwärtswandler

Die grundlegende Abwärtswandler-Topologie für ein SMPS ist unten dargestellt. In diesem Diagramm wird der Ausgang des MOSFET mit einem PWM-Signal angesteuert, das den MOSFET mit einem vom Benutzer gewählten Tastverhältnis ein- und ausschaltet. Der Induktor und der Kondensator spielen eine entscheidende Rolle bei der Bereitstellung eines stabilen Stroms für die Last, wenn das PWM-Signal schaltet. Schließlich ist das Tastverhältnis des PWM-Signals die primäre Funktion, die es dem Benutzer ermöglicht, die an die Last gelieferte Ausgangsspannung zu steuern.

Der Induktor schaltet ständig mit der gleichen Rate wie das PWM-Signal und überlagert daher dem an den Ausgang gesendeten Strom eine leichte Welligkeit. Der Induktor und der Kondensator bilden einen L-Filter, bei dem es sich im Grunde um einen Bandpassfilter zweiter Ordnung handelt. Angenommen, Sie verwendenden einen ausreichend großen Kondensator mit niedrigem ESR, dann bietet der Kondensator eine niedrige Impedanz und hochfrequente Komponenten, die die Welligkeit ausmachen, werden weitgehend entfernt.

How to select an inductor for a buck converter in a circuit diagram
 Schaltplan für die grundlegende Abwärtswandler-Topologie

So wählen Sie einen Induktor für Ihren Abwärtswandler aus 

Der geeignete Wert für Ihren Induktor ist abhängig von dem gewünschten Rippelstrom, den Ihr Design tolerieren kann, sowie von dem Tastgrad, den Sie für Ihr PWM-Signal verwenden wollen. Die folgende Gleichung zeigt die Ausgangsspannung als Funktion des Dioden-Durchlassspannungsabfalls und des Spannungsabfalls im EIN-Zustand über den MOSFET. Nach Berücksichtigung dieser Spannungen ergibt sich die Ausgangsspannung:

How to select an inductor for a buck converter output voltage equation
Ausgangsspannung als Funktion des PWM-Tastgrads, des Vorwärtsspannungsabfalls der Diode und des Spannungsabfalls des MOSFET im EIN-Zustand.

Ich werde ein paar Berechnungen überspringen und gleich zu den wichtigen Ergebnissen kommen. Erstens, die Induktivität und die PWM-Frequenz sind umgekehrt proportional zur Brummspannung. Zweitens ist die Restwelligkeit auch eine quadratische Funktion des PWM-Tastgrads. Der Rippelstrom im Abwärtswandler ist:

How to select an inductor for a buck converter in a circuit diagram
Auswahl eines Induktors für einen Abwärtswandler in einem Schaltplan

Beachten Sie, dass die Anstiegszeit des PWM-Signals in keiner der beiden Gleichungen erscheint. Die Anstiegszeit ist jedoch wichtig, da sie bei der Bestimmung des vom Wandler emittierten Rauschens und der Verluste eine Rolle spielt (siehe unten für weitere Einzelheiten). Die wichtigen Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen:

  • Eine Erhöhung des Tastgrads verringert die Restwelligkeit, bringt aber auch die Ausgangsspannung näher an den Eingang.
  • Eine Erhöhung der PWM-Frequenz verringert die Restwelligkeit, erhöht jedoch die Wärmeableitung im MOSFET. Auch hier gibt es einen Vorbehalt: Die Verwendung eines PWM-Signals mit einer schnelleren Flankensteilheit verringert diese Verluste bei einer höheren PWM-Frequenz (auch hier siehe unten).
  • Die Verwendung einer größeren Eingangsspannung erfordert die Verwendung eines größeren Induktors, um die Restwelligkeit auf ein akzeptables Niveau zu reduzieren. Verwenden Sie grundsätzlich einen größeren Induktor, um die Restwelligkeit zu verringern.

Warum die PWM-Anstiegszeit wichtig ist

Der Induktor ist für die Erzeugung und gleichzeitige Unterdrückung der Restwelligkeit des Ausgangsstroms verantwortlich, obwohl dies mit Hilfe der obigen Richtlinien als Designziel im Design festgelegt werden kann. Es gibt jedoch bei jedem Schaltregler einige wichtige Aspekte, die der Induktor nicht kontrollieren kann:

  • Vom Schaltelement abgestrahlte EMI: Das Schaltgeräusch des Transistors kann in nachgeschalteten Schaltungen ein gewisses Rauschen induzieren.
  • Thermische Verluste aufgrund des Skin-Effekts: Dies ist eine Funktion der Geometrie des Induktors und nicht des Induktivitätswerts. Wenn der Induktor eine größere Querschnittsfläche und eine höhere Wärmeleitfähigkeit hat, kann die Wärme von dem Induktor mit einer höheren Rate abgeführt werden.
  • Wärmeverluste im Transistor: Der Transistor führt den Löwenanteil der Wärme beim Schalten und Regeln ab. Durch die Verwendung einer schnelleren Flankenrate wird dieser Wärmeverlust jedoch unterdrückt, da der MOSFET zwischen den PWM-Schwingungen vollständiger abschaltet.

Diese Rauschquellen hängen von der Frequenz und der Flankenrate des PWM-Signals ab. Wenn Sie einen Abwärtswandler mit einer höheren Schaltfrequenz ohne Änderung des Tastgrads betreiben, würden Sie normalerweise mehr Leistung als Wärme im MOSFET verlieren. Der Kompromiss zur Verwendung einer schnelleren Flankenrate besteht in dem Risiko, dass in nachgeschalteten Schaltungen mehr hochfrequentes Rauschen induziert wird und mehr Wärme über den Skin-Effekt verloren geht. Lesen Sie in diesem Artikel mehr über diese Aspekte.

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Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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