Come Selezionare un Induttore per un Convertitore Buck

Un SMPS è uno di quegli apparecchi silenziosi (ma elettricamente rumorosi) che fa funzionare senza problemi i tuoi dispositivi elettronici preferiti. Si trovano in background, svolgendo silenziosamente il loro dovere, eppure senza di loro la tua scheda non funzionerebbe. Come parte della progettazione di convertitori DC-DC per applicazioni ad alto consumo, la selezione dei componenti è molto importante per garantire una fornitura di energia stabile al carico con un'alta efficienza.

Tra le numerose topologie di convertitori DC-DC, un convertitore buck trova molteplici utilizzi per ridurre la tensione di ingresso a un livello più basso fornendo al contempo una conversione di potenza ad alta efficienza. Una domanda comune riguardo alla selezione dei componenti per questi convertitori di potenza è come selezionare un induttore per un convertitore buck. L'obiettivo nel lavorare con un induttore e altri componenti in un convertitore buck è limitare la perdita di potenza in calore e minimizzare al contempo l'ondulazione di corrente.

Induttori in un Convertitore Buck

La topologia base del convertitore buck per un SMPS è mostrata di seguito. In questo diagramma, l'uscita dal MOSFET è pilotata con un segnale PWM, che accende e spegne il MOSFET con un ciclo di lavoro selezionato dall'utente. L'induttore e il condensatore svolgono un ruolo critico nel fornire corrente stabile al carico mentre il segnale PWM commuta. Infine, il ciclo di lavoro del segnale PWM è la funzione primaria che consente all'utente di controllare la tensione di uscita fornita al carico.

L'induttore sarà in costante commutazione alla stessa velocità del segnale PWM, quindi è responsabile della sovrapposizione di una leggera ondulazione sulla corrente inviata all'uscita. L'induttore e il condensatore formano un filtro L, che è sostanzialmente un filtro passabanda del 2° ordine. Supponendo di utilizzare un condensatore sufficientemente grande con basso ESR, il condensatore fornirà bassa impedenza e le componenti ad alta frequenza che costituiscono l'ondulazione saranno in gran parte eliminate.

Come Selezionare un Induttore per il Tuo Convertitore Buck

Il valore appropriato per il tuo induttore dipende dalla corrente di ripple desiderata che il tuo progetto può tollerare, così come dal ciclo di lavoro che prevedi di utilizzare per il tuo segnale PWM. L'equazione seguente mostra la tensione di uscita come funzione della caduta di tensione in avanti del diodo e della caduta di tensione in stato ON attraverso il MOSFET. Dopo aver tenuto conto di queste tensioni, la tensione di uscita è:

Salterò alcuni calcoli e passerò direttamente ai risultati importanti. Primo, l'induttanza e la frequenza PWM sono inversamente proporzionali alla tensione di ripple. Secondo, il ripple è anche una funzione quadratica del ciclo di lavoro PWM. La corrente di ripple nel convertitore buck è:

Da notare che il tempo di salita del segnale PWM non appare in nessuna delle equazioni. Tuttavia, il tempo di salita è importante in quanto gioca un ruolo nella determinazione del rumore emesso dal convertitore e nelle perdite (vedi sotto per maggiori dettagli). I risultati importanti possono essere riassunti come segue:

• Aumentare il ciclo di lavoro ridurrà il ripple, ma porterà anche la tensione di uscita più vicino all'ingresso.
• Aumentare la frequenza del PWM ridurrà l'ondulazione, ma ciò aumenterà la dissipazione di calore nel MOSFET. Tuttavia, c'è una precisazione da fare: utilizzare un segnale PWM con un tasso di salita più veloce ridurrà queste perdite derivanti da una frequenza PWM più alta (vedi di nuovo sotto).
• Utilizzare una tensione di ingresso maggiore richiede l'uso di un induttore più grande per ridurre l'ondulazione a un livello accettabile. In generale, usare un induttore più grande per ridurre l'ondulazione.

Perché il Tempo di Salita del PWM è Importante

L'induttore è responsabile della creazione e della contemporanea soppressione dell'ondulazione sulla corrente di uscita, sebbene ciò possa essere impostato come obiettivo di progettazione nella progettazione utilizzando le linee guida sopra menzionate. Tuttavia, ci sono alcuni aspetti importanti di qualsiasi regolatore di commutazione che l'induttore non può controllare:

• EMI irradiate dall'elemento di commutazione: questo rumore di commutazione del transistor può indurre del rumore nei circuiti a valle.
• Perdite termiche dovute all'effetto pelle: ciò è una funzione della geometria dell'induttore e non del valore di induttanza. Se l'induttore ha un'area trasversale più grande e una maggiore conducibilità termica, il calore può essere dissipato dall'induttore a un ritmo più elevato.
• Perdite termiche nel transistor: il transistor dissipa la maggior parte del calore durante la commutazione e la regolazione. Tuttavia, utilizzando un tasso di salita più veloce si potrà ridurre questa perdita di calore poiché il MOSFET si spegnerà più completamente tra le oscillazioni PWM.

Queste fonti di rumore dipendono dalla frequenza e dal tasso di salita del segnale PWM. Se si fa funzionare un convertitore buck a una frequenza di commutazione più alta senza cambiare il ciclo di lavoro, normalmente si perderebbe più potenza sotto forma di calore nel MOSFET. Il compromesso nell'usare un tasso di salita più veloce è il rischio di indurre più rumore ad alta frequenza nei circuiti a valle e più calore perso tramite l'effetto pelle. Leggi di più su questi argomenti in questo articolo.

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