Jak wybrać dławik do przetwornicy obniżającej napięcie

SMPS to jeden z tych cichych (choć elektrycznie hałaśliwych) urządzeń, które sprawiają, że Twoje ulubione elektroniki działają płynnie. Siedzą w tle, cicho wykonując swoje zadanie, jednak bez nich Twoja płyta nie działałaby. Jako część projektowania przetwornicy DC-DC dla aplikacji o dużym zapotrzebowaniu na energię, wybór komponentów jest bardzo ważny dla zapewnienia stabilnego dostarczania energii do obciążenia przy wysokiej efektywności.

Wśród licznych topologii przetwornic DC-DC, przetwornica typu buck znajduje wiele zastosowań do obniżania napięcia wejściowego do niższego poziomu, zapewniając przy tym wysoką efektywność przekształcenia energii. Powszechnym pytaniem dotyczącym wyboru komponentów dla tych przetwornic mocy jest to, jak wybrać dławik do przetwornicy typu buck. Celem pracy z dławikiem i innymi komponentami w przetwornicy typu buck jest ograniczenie strat mocy na ciepło oraz minimalizacja tętnień prądu.

Dławiki w przetwornicy typu Buck

Podstawowa topologia przetwornicy obniżającej napięcie dla SMPS jest pokazana poniżej. Na tym schemacie wyjście z tranzystora MOSFET jest sterowane sygnałem PWM, który włącza i wyłącza tranzystor MOSFET z wybranym przez użytkownika wypełnieniem impulsu. Cewka i kondensator odgrywają kluczową rolę w dostarczaniu stabilnego prądu do obciążenia, gdy sygnał PWM przełącza się. Wreszcie, wypełnienie impulsu sygnału PWM jest główną funkcją pozwalającą użytkownikowi kontrolować napięcie wyjściowe dostarczane do obciążenia.

Cewka będzie stale przełączana z taką samą częstotliwością jak sygnał PWM, dlatego odpowiada za nakładanie pewnego niewielkiego tętnienia na prąd wysyłany na wyjście. Cewka i kondensator tworzą filtr L, który jest w zasadzie filtrem pasmowoprzepustowym drugiego rzędu. Zakładając, że użyjesz wystarczająco dużego kondensatora o niskiej ESR, kondensator zapewni niską impedancję, a wysokoczęstotliwościowe składowe tworzące tętnienie zostaną w dużej mierze usunięte.

Jak wybrać cewkę do Twojej przetwornicy obniżającej napięcie

Odpowiednia wartość dla twojego induktora zależy od pożądanego prądu tętnień, na który może pozwolić twoja konstrukcja, oraz od planowanego cyklu pracy, który zamierzasz użyć dla sygnału PWM. Poniższe równanie pokazuje napięcie wyjściowe jako funkcję spadku napięcia przewodzenia diody oraz spadku napięcia w stanie ON na tranzystorze MOSFET. Po uwzględnieniu tych napięć, napięcie wyjściowe wynosi:

Postanowiłem pominąć niektóre obliczenia i przejść od razu do ważnych wyników. Po pierwsze, indukcyjność i częstotliwość PWM są odwrotnie proporcjonalne do napięcia tętnień. Po drugie, tętnienie jest również funkcją kwadratową cyklu pracy PWM. Prąd tętnień w przetwornicy obniżającej napięcie wynosi:

Należy zauważyć, że czas narastania sygnału PWM nie pojawia się w żadnym z równań. Jednak czas narastania jest ważny, ponieważ odgrywa rolę w określaniu szumów emitowanych przez przetwornicę oraz strat (więcej szczegółów poniżej). Ważne wyniki można podsumować następująco:

• Zwiększenie cyklu pracy zmniejszy tętnienia, ale również zbliży napięcie wyjściowe do napięcia wejściowego.
• Zwiększenie częstotliwości PWM zmniejszy tętnienia, ale spowoduje to większe rozpraszanie ciepła w tranzystorze MOSFET. Ponownie, istnieje jednak zastrzeżenie: użycie sygnału PWM z szybszym narastaniem krawędzi zmniejszy te straty wynikające z wyższej częstotliwości PWM (ponownie, patrz poniżej).
• Użycie większego napięcia wejściowego wymaga użycia większej cewki indukcyjnej, aby zmniejszyć tętnienia do akceptowalnego poziomu. Ogólnie rzecz biorąc, użyj większej cewki indukcyjnej, aby zmniejszyć tętnienia.

Dlaczego ważny jest czas narastania PWM

Cewka indukcyjna odpowiada za tworzenie i jednoczesne tłumienie tętnień na prądzie wyjściowym, chociaż może to być ustawione jako cel projektowy w projekcie, korzystając z powyższych wytycznych. Jednak istnieją pewne ważne aspekty każdego regulatora przełączającego, których cewka indukcyjna nie może kontrolować:

• Promieniowane EMI od elementu przełączającego: ten szum przełączania z tranzystora może indukować pewien szum w obwodach znajdujących się dalej.
• Straty cieplne spowodowane efektem skórnym: jest to funkcja geometrii cewki indukcyjnej, a nie wartości indukcyjności. Jeśli cewka indukcyjna ma większy przekrój poprzeczny i wyższą przewodność cieplną, ciepło może być rozpraszane z cewki indukcyjnej z wyższą szybkością.
• Straty cieplne w tranzystorze: tranzystor rozprasza największą część ciepła podczas przełączania i regulacji. Jednakże, użycie szybszej szybkości narastania może ograniczyć te straty cieplne, ponieważ MOSFET będzie się w pełni wyłączał między oscylacjami PWM.

Te źródła szumów zależą od częstotliwości i szybkości narastania sygnału PWM. Jeśli uruchomisz przetwornicę typu buck przy wyższej częstotliwości przełączania, nie zmieniając cyklu pracy, normalnie stracisz więcej mocy jako ciepło w MOSFET. Kompromisem przy użyciu szybszej szybkości narastania jest ryzyko indukowania większego szumu wysokiej częstotliwości w obwodach znajdujących się dalej oraz większe straty ciepła przez efekt skórny.Przeczytaj więcej na ten temat w tym artykule.

Z funkcjami projektowania schematów i układu PCB w Altium Designer®, możesz stworzyć potrzebną płytę do Twojego następnego zasilacza i przygotować swoje projekty do produkcji. Będziesz miał również dostęp do ogromnej gamy komponentów, z symbolami schematycznymi i modelami 3D dostarczanymi bezpośrednio przez producentów. Wszystkie te funkcje są dostępne w jednym środowisku projektowym, co pomaga pozostać produktywnym i szybko zbudować Twój następny produkt.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania układów, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.