Cómo seleccionar un inductor para un convertidor Buck

Un SMPS es uno de esos dispositivos silenciosos (aunque eléctricamente ruidosos) que hace que tus electrónicos favoritos funcionen sin problemas. Se sientan en segundo plano haciendo silenciosamente su deber, sin embargo, tu placa no funcionaría sin ellos. Como parte del diseño de convertidores DC-DC para aplicaciones que consumen mucha energía, la selección de componentes es bastante importante para asegurar una entrega de energía estable a una carga con alta eficiencia.

Entre las numerosas topologías de convertidores DC-DC, un convertidor buck encuentra muchos usos para reducir el voltaje de entrada a un nivel más bajo mientras proporciona una conversión de energía de alta eficiencia. Una pregunta común en cuanto a la selección de componentes para estos convertidores de energía es cómo seleccionar un inductor para un convertidor buck. El objetivo al trabajar con un inductor y otros componentes en un convertidor buck es limitar la pérdida de energía por calor y al mismo tiempo minimizar el rizado de corriente.

Inductores en un Convertidor Buck

La topología básica del convertidor reductor para un SMPS se muestra a continuación. En este diagrama, la salida del MOSFET se controla con una señal PWM, que activa y desactiva el MOSFET con un ciclo de trabajo seleccionado por el usuario. El inductor y el capacitor juegan un papel crucial en proporcionar corriente estable a la carga a medida que la señal PWM cambia. Finalmente, el ciclo de trabajo de la señal PWM es la función principal que permite al usuario controlar el voltaje de salida entregado a la carga.

El inductor estará conmutando constantemente al mismo ritmo que la señal PWM, por lo tanto, es responsable de superponer un ligero rizado en la corriente enviada a la salida. El inductor y el capacitor forman un filtro L, que básicamente es un filtro de paso de banda de 2º orden. Asumiendo que se utiliza un capacitor suficientemente grande con bajo ESR, el capacitor proporcionará baja impedancia y los componentes de alta frecuencia que componen el rizado serán en gran medida eliminados.

Cómo Seleccionar un Inductor para su Convertidor Reductor

El valor adecuado para su inductor depende de la corriente de ondulación deseada que su diseño puede tolerar, así como del ciclo de trabajo que planea usar para su señal PWM. La siguiente ecuación muestra el voltaje de salida como una función de la caída de voltaje hacia adelante del diodo y la caída de voltaje en estado ON a través del MOSFET. Después de tener en cuenta estos voltajes, el voltaje de salida es:

Voy a saltarme algunos cálculos y pasar directamente a los resultados importantes. Primero, la inductancia y la frecuencia PWM son inversamente proporcionales al voltaje de ondulación. Segundo, la ondulación también es una función cuadrática del ciclo de trabajo PWM. La corriente de ondulación en el convertidor buck es:

Nota que el tiempo de subida de la señal PWM no aparece en ninguna de las ecuaciones. Sin embargo, el tiempo de subida es importante ya que juega un papel en determinar el ruido emitido por el convertidor y las pérdidas (ver más abajo para más detalles). Los resultados importantes se pueden resumir de la siguiente manera:

• Aumentar el ciclo de trabajo reducirá la ondulación, pero también acercará el voltaje de salida al de entrada.
• Aumentar la frecuencia del PWM reducirá el ripple, pero esto aumentará la disipación de calor en el MOSFET. Sin embargo, hay una advertencia en esto: usar una señal PWM con una tasa de cambio de borde más rápida reducirá estas pérdidas de una frecuencia PWM más alta (de nuevo, ver más abajo).
• Usar un voltaje de entrada mayor requiere usar un inductor más grande para reducir el ripple a un nivel aceptable. En general, use un inductor más grande para reducir el ripple.

Por Qué es Importante el Tiempo de Subida del PWM

El inductor es responsable de crear y simultáneamente suprimir el ripple en la corriente de salida, aunque esto puede establecerse como un objetivo de diseño en el diseño usando las pautas anteriores. Sin embargo, hay algunos aspectos importantes de cualquier regulador de conmutación que el inductor no puede controlar:

• EMI radiada del elemento de conmutación: este ruido de conmutación del transistor puede inducir algo de ruido en los circuitos aguas abajo.
• Pérdidas térmicas debido al efecto piel: esto es una función de la geometría del inductor y no del valor de inductancia. Si el inductor tiene un área transversal más grande y una mayor conductividad térmica, el calor puede disiparse del inductor a una tasa más alta.
• Pérdidas térmicas en el transistor: el transistor disipa la mayor parte del calor durante el conmutado y la regulación. Sin embargo, utilizar una tasa de cambio de borde más rápida suprimirá esta pérdida de calor ya que el MOSFET se apagará más completamente entre las oscilaciones PWM.

Estas fuentes de ruido dependen de la frecuencia y la tasa de cambio de borde de la señal PWM. Si operas un convertidor buck a una frecuencia de conmutación más alta sin cambiar el ciclo de trabajo, normalmente perderías más potencia como calor en el MOSFET. El compromiso de usar una tasa de cambio de borde más rápida es el riesgo de inducir más ruido de alta frecuencia en los circuitos de aguas abajo y más calor perdido a través del efecto piel. Lee más sobre estos puntos en este artículo.

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