Como Selecionar um Indutor para um Conversor Buck

Um SMPS é um daqueles dispositivos silenciosos (porém eletricamente ruidosos) que fazem seus eletrônicos favoritos funcionarem suavemente. Eles ficam em segundo plano, desempenhando silenciosamente seu dever, mas sua placa não funcionaria sem eles. Como parte do design de conversores DC-DC para aplicações que consomem muita energia, a seleção de componentes é bastante importante para garantir uma entrega de energia estável para uma carga com alta eficiência.

Entre as numerosas topologias de conversores DC-DC, um conversor buck encontra muitas utilizações para reduzir a tensão de entrada para um nível mais baixo, ao mesmo tempo que fornece conversão de energia com alta eficiência. Uma questão comum sobre a seleção de componentes para esses conversores de energia é como selecionar um indutor para um conversor buck. O objetivo ao trabalhar com um indutor e outros componentes em um conversor buck é limitar a perda de energia para o calor e minimizar a ondulação de corrente.

Indutores em um Conversor Buck

A topologia básica do conversor buck para uma SMPS é mostrada abaixo. Neste diagrama, a saída do MOSFET é acionada com um sinal PWM, que liga e desliga o MOSFET com um ciclo de trabalho selecionado pelo usuário. O indutor e o capacitor desempenham um papel crítico ao fornecer corrente estável para a carga à medida que o sinal PWM comuta. Finalmente, o ciclo de trabalho do sinal PWM é a função principal que permite ao usuário controlar a tensão de saída entregue à carga.

O indutor estará constantemente comutando na mesma taxa que o sinal PWM, portanto, é responsável por superpor uma pequena ondulação na corrente enviada para a saída. O indutor e o capacitor formam um filtro L, que é basicamente um filtro passa-banda de 2ª ordem. Supondo que você use um capacitor suficientemente grande com baixo ESR, o capacitor fornecerá baixa impedância e os componentes de alta frequência que compõem a ondulação serão em grande parte removidos.

Como Selecionar um Indutor para o Seu Conversor Buck

O valor apropriado para o seu indutor depende da corrente de ondulação desejada que seu projeto pode tolerar, bem como do ciclo de trabalho que você planeja usar para o seu sinal PWM. A seguinte equação mostra a tensão de saída como uma função da queda de tensão para frente do diodo e da queda de tensão no estado ligado através do MOSFET. Após levar em conta essas tensões, a tensão de saída é:

Vou pular algumas contas e ir direto para os resultados importantes. Primeiro, a indutância e a frequência PWM são inversamente proporcionais à tensão de ondulação. Segundo, a ondulação também é uma função quadrática do ciclo de trabalho PWM. A corrente de ondulação no conversor buck é:

Note que o tempo de subida do sinal PWM não aparece em nenhuma das equações. No entanto, o tempo de subida é importante na medida em que desempenha um papel na determinação do ruído emitido pelo conversor e perdas (veja abaixo para mais detalhes). Os resultados importantes podem ser resumidos da seguinte forma:

• Aumentar o ciclo de trabalho reduzirá a ondulação, mas também aproximará a tensão de saída da entrada.
• Aumentar a frequência do PWM reduzirá o ripple, mas isso aumentará a dissipação de calor no MOSFET. No entanto, há uma ressalva para isso: usar um sinal PWM com uma taxa de subida mais rápida reduzirá essas perdas de uma frequência PWM mais alta (novamente, veja abaixo).
• Usar uma tensão de entrada maior requer o uso de um indutor maior para reduzir o ripple a um nível aceitável. Em geral, use um indutor maior para reduzir o ripple.

Por que o Tempo de Subida do PWM é Importante

O indutor é responsável por criar e simultaneamente suprimir o ripple na corrente de saída, embora isso possa ser estabelecido como um objetivo de design no projeto usando as diretrizes acima. No entanto, há alguns aspectos importantes de qualquer regulador de comutação que o indutor não pode controlar:

• EMI irradiada pelo elemento de comutação: esse ruído de comutação do transistor pode induzir algum ruído nos circuitos a jusante.
• Perdas térmicas devido ao efeito pelicular: isso é uma função da geometria do indutor e não do valor da indutância. Se o indutor tiver uma área de seção transversal maior e maior condutividade térmica, o calor pode ser dissipado do indutor a uma taxa mais alta.
• Perdas térmicas no transistor: o transistor dissipa a maior parte do calor durante a comutação e regulação. No entanto, usar uma taxa de borda mais rápida suprimirá essa perda de calor, pois o MOSFET comutará mais completamente entre as oscilações PWM.

Essas fontes de ruído dependem da frequência e da taxa de borda do sinal PWM. Se você operar um conversor buck em uma frequência de comutação mais alta sem alterar o ciclo de trabalho, normalmente perderá mais energia como calor no MOSFET. O compromisso de usar uma taxa de borda mais rápida é o risco de induzir mais ruído de alta frequência nos circuitos a jusante e mais calor perdido através do efeito pelicular. Leia mais sobre esses pontos neste artigo.

Com as funcionalidades de design esquemático e layout de PCB em Altium Designer®, você pode criar a placa de que precisa para sua próxima fonte de alimentação e preparar seus designs para a fabricação. Você também terá acesso a uma enorme gama de componentes, com símbolos esquemáticos e modelos 3D fornecidos diretamente pelos fabricantes. Todas essas funcionalidades estão acessíveis em um único ambiente de design, o que ajuda você a permanecer produtivo e a construir seu próximo produto rapidamente.

Agora você pode baixar uma versão de avaliação gratuita do Altium Designer e saber mais sobre as melhores ferramentas de layout, simulação e planejamento de produção do setor. Fale com um especialista da Altium hoje mesmo para saber mais.