Comment choisir un inducteur pour un convertisseur abaisseur

Un SMPS est l'un de ces appareils silencieux (mais électriquement bruyants) qui permet à vos appareils électroniques préférés de fonctionner sans accroc. Ils se tiennent en arrière-plan, accomplissant silencieusement leur devoir, pourtant votre carte ne fonctionnerait pas sans eux. Dans le cadre de la conception de convertisseurs DC-DC pour des applications gourmandes en énergie, la sélection des composants est assez importante pour assurer une alimentation stable et de haute efficacité à une charge.

Parmi les nombreuses topologies de convertisseurs DC-DC, un convertisseur abaisseur trouve de nombreuses utilisations pour réduire la tension d'entrée à un niveau inférieur tout en fournissant une conversion d'énergie de haute efficacité. Une question courante concernant la sélection des composants pour ces convertisseurs de puissance est comment sélectionner une inductance pour un convertisseur abaisseur. L'objectif, en travaillant avec une inductance et d'autres composants dans un convertisseur abaisseur, est de limiter la perte de puissance sous forme de chaleur tout en minimisant l'ondulation du courant.

Inductances dans un Convertisseur Abaisseur

La topologie de base d'un convertisseur abaisseur pour une alimentation à découpage (SMPS) est illustrée ci-dessous. Dans ce schéma, la sortie du MOSFET est commandée par un signal PWM, qui active et désactive le MOSFET avec un cycle de travail choisi par l'utilisateur. L'inductance et le condensateur jouent un rôle crucial en fournissant un courant stable à la charge lorsque le signal PWM bascule. Enfin, le cycle de travail du signal PWM est la fonction principale permettant à l'utilisateur de contrôler la tension de sortie délivrée à la charge.

L'inductance sera constamment en commutation au même rythme que le signal PWM, elle est donc responsable de superposer une légère ondulation sur le courant envoyé à la sortie. L'inductance et le condensateur forment un filtre L, qui est essentiellement un filtre passe-bande du 2nd ordre. En supposant que vous utilisez un condensateur suffisamment grand avec un faible ESR, le condensateur fournira une faible impédance et les composants de haute fréquence constituant l'ondulation seront largement éliminés.

Comment sélectionner une inductance pour votre convertisseur abaisseur

La valeur appropriée pour votre inductance dépend du courant de ondulation que votre conception peut tolérer, ainsi que du rapport cyclique que vous prévoyez d'utiliser pour votre signal PWM. L'équation suivante montre la tension de sortie en fonction de la chute de tension directe de la diode et de la chute de tension en état passant à travers le MOSFET. Après avoir pris en compte ces tensions, la tension de sortie est :

Je vais passer outre certains calculs et aller directement aux résultats importants. Premièrement, l'inductance et la fréquence PWM sont inversement proportionnelles à la tension de ondulation. Deuxièmement, la ondulation est également une fonction quadratique du rapport cyclique PWM. Le courant de ondulation dans le convertisseur buck est :

Notez que le temps de montée du signal PWM n'apparaît dans aucune des équations. Cependant, le temps de montée est important car il joue un rôle dans la détermination du bruit émis par le convertisseur et des pertes (voir ci-dessous pour plus de détails). Les résultats importants peuvent être résumés comme suit :

• Augmenter le rapport cyclique réduira la ondulation, mais cela rapprochera également la tension de sortie de la tension d'entrée.
• Augmenter la fréquence du PWM réduira le bruit de fond, mais cela augmentera la dissipation thermique dans le MOSFET. Cependant, il y a une mise en garde à cela : utiliser un signal PWM avec un taux de montée plus rapide réduira ces pertes dues à une fréquence PWM plus élevée (voir ci-dessous à nouveau).
• Utiliser une tension d'entrée plus grande nécessite l'utilisation d'une inductance plus grande afin de réduire le bruit de fond à un niveau acceptable. En général, utilisez une inductance plus grande pour réduire le bruit de fond.

Pourquoi le temps de montée du PWM est important

L'inductance est responsable de la création et de la suppression simultanée du bruit de fond sur le courant de sortie, bien que cela puisse être défini comme un objectif de conception dans la conception en utilisant les directives ci-dessus. Cependant, il y a certains aspects importants de tout régulateur à découpage que l'inductance ne peut pas contrôler :

• Les EMI rayonnées par l'élément de commutation : ce bruit de commutation du transistor peut induire du bruit dans les circuits en aval.
• Les pertes thermiques dues à l'effet de peau : cela dépend de la géométrie de l'inductance et non de la valeur de l'inductance. Si l'inductance a une zone de section transversale plus grande et une conductivité thermique plus élevée, la chaleur peut être dissipée de l'inductance à un taux plus élevé.
• Pertes thermiques dans le transistor : le transistor dissipe la majeure partie de la chaleur pendant la commutation et la régulation. Cependant, l'utilisation d'un taux de montée plus rapide supprimera cette perte de chaleur puisque le MOSFET s'éteindra plus complètement entre les oscillations PWM.

Ces sources de bruit dépendent de la fréquence et du taux de montée du signal PWM. Si vous faites fonctionner un convertisseur buck à une fréquence de commutation plus élevée sans changer le rapport cyclique, vous perdriez normalement plus de puissance sous forme de chaleur dans le MOSFET. Le compromis à l'utilisation d'un taux de montée plus rapide est le risque de plus de bruit haute fréquence induit dans les circuits en aval et plus de chaleur perdue via l'effet de peau.Lisez plus à propos de ces points dans cet article.

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