Как выбрать индуктор для понижающего преобразователя

Закарайа Петерсон
|  Создано: 29 Апреля, 2020  |  Обновлено: 27 Декабря, 2020
Как выбрать индуктор для понижающего преобразователя

Импульсный источник питания (SMPS) - это одно из тех тихих (но электрически шумных) устройств, которое заставляет ваши любимые электронные устройства работать без сбоев. Они находятся на заднем плане и тихо выполняют свою работу, но без них ваша плата не заработает. В части проектирования DC-DC преобразователей для энергоемких приложений выбор компонентов очень важен для обеспечения стабильной подачи питания на нагрузку с высокой эффективностью.

Среди многочисленных топологий DC-DC преобразователей понижающий преобразователь находит широкое применение для понижения входного напряжения до более низкого уровня при обеспечении высокоэффективного преобразования энергии. Общий вопрос, связанный с выбором компонентов для этих преобразователей мощности, заключается в том, как выбрать индуктивность для понижающего преобразователя. Цель работы с индуктивностью и другими компонентами в понижающем преобразователе заключается в ограничении потерь мощности на тепло и минимизации пульсаций тока.

Индуктивности в понижающем преобразователе

Основная топология понижающего преобразователя для источника питания с импульсной модуляцией (SMPS) показана ниже. На этой схеме выход с MOSFET управляется сигналом ШИМ (широтно-импульсной модуляцией), который включает и выключает MOSFET с выбранным пользователем коэффициентом заполнения. Индуктор и конденсатор играют ключевую роль в обеспечении стабильного тока к нагрузке, когда сигнал ШИМ переключается. Наконец, коэффициент заполнения сигнала ШИМ является основной функцией, позволяющей пользователю контролировать выходное напряжение, подаваемое на нагрузку.

Индуктор будет постоянно переключаться с той же скоростью, что и сигнал ШИМ, следовательно, он отвечает за наложение некоторого небольшого пульсации на ток, отправляемый на выход. Индуктор и конденсатор образуют L-фильтр, который по сути является фильтром второго порядка с полосой пропускания. Предполагая, что вы используете достаточно большой конденсатор с низким ESR, конденсатор обеспечит низкое сопротивление, и высокочастотные компоненты, составляющие пульсацию, будут в значительной степени устранены.

How to select an inductor for a buck converter in a circuit diagram
Принципиальная схема базовой топологии понижающего преобразователя.

Как выбрать индуктор для вашего понижающего преобразователя

Подходящее значение вашего индуктора зависит от допустимого уровня пульсаций тока, который ваша схема может выдержать, а также от рабочего цикла, который вы планируете использовать для вашего сигнала ШИМ. Следующее уравнение показывает выходное напряжение как функцию падения напряжения вперед на диоде и падения напряжения в состоянии включения на МОП-транзисторе. Учитывая эти напряжения, выходное напряжение составляет:

How to select an inductor for a buck converter output voltage equation
Выходное напряжение в зависимости от рабочего цикла ШИМ, прямого падения напряжения на диоде и падения напряжения в состоянии включения MOSFET.

Я пропущу некоторые математические выкладки и перейду сразу к важным результатам. Во-первых, индуктивность и частота ШИМ обратно пропорциональны пульсациям напряжения. Во-вторых, пульсации также являются квадратичной функцией рабочего цикла ШИМ. Пульсационный ток в понижающем преобразователе:

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

How to select an inductor for a buck converter in a circuit diagram
Как выбрать индуктивность для понижающего преобразователя в схеме.

Обратите внимание, что время нарастания сигнала ШИМ не фигурирует ни в одном из уравнений. Однако время нарастания важно, поскольку оно играет роль в определении шума, излучаемого преобразователем, и потерь (см. ниже для получения дополнительной информации). Важные результаты можно подытожить следующим образом:

  • Увеличение рабочего цикла снизит пульсации, но также приблизит выходное напряжение к входному.
  • Увеличение частоты ШИМ уменьшит пульсации, но это приведет к увеличению рассеивания тепла в MOSFET. Однако здесь есть оговорка: использование ШИМ-сигнала с более высокой скоростью нарастания сигнала уменьшит эти потери при более высокой частоте ШИМ (снова см. ниже).
  • Использование более высокого входного напряжения требует использования более крупного индуктора для уменьшения пульсаций до приемлемого уровня. В общем, используйте более крупный индуктор для уменьшения пульсаций.

Почему важно время нарастания ШИМ

Индуктор отвечает за создание и одновременное подавление пульсаций на выходном токе, хотя это может быть установлено как цель проектирования в дизайне, используя вышеуказанные рекомендации. Однако есть некоторые важные аспекты любого импульсного регулятора, которые индуктор контролировать не может:

  • Излучаемые электромагнитные помехи от коммутирующего элемента: этот переключающий шум от транзистора может вызвать некоторые помехи в последующих цепях.
  • Тепловые потери из-за скин-эффекта: это функция геометрии индуктора, а не значения индуктивности. Если индуктор имеет большую площадь поперечного сечения и высокую теплопроводность, тепло может рассеиваться от индуктора с более высокой скоростью.
  • Тепловые потери в транзисторе: транзистор рассеивает основную часть тепла во время переключения и регулирования. Однако использование более высокой скорости нарастания сигнала позволяет уменьшить эти тепловые потери, поскольку MOSFET будет более полно выключаться между колебаниями ШИМ.

Эти источники шума зависят от частоты и скорости нарастания сигнала ШИМ. Если вы используете понижающий преобразователь на более высокой частоте переключения без изменения скважности, обычно вы теряете больше энергии в виде тепла в MOSFET. Компромиссом при использовании более высокой скорости нарастания сигнала является риск возникновения большего количества высокочастотных шумов в последующих цепях и больших тепловых потерь за счет скин-эффекта.Подробнее об этих аспектах читайте в этой статье.

Types of EMI filters and simulations
Используйте предварительные симуляции для изучения поведения ваших EMI фильтров.

С помощью функций проектирования схем и размещения печатных плат в Altium Designer® вы можете создать необходимую плату для вашего следующего источника питания и подготовить ваши проекты к производству. Вы также получите доступ к огромному ассортименту компонентов с символами схем и 3D-моделями, предоставляемыми непосредственно производителями. Все эти функции доступны в единой среде проектирования, что помогает вам оставаться продуктивными и быстро создать ваш следующий продукт.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для разработки плат, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium сегодня, чтобы узнать больше.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

Об авторе

Об авторе

Закарайа Петерсон (Zachariah Peterson) имеет обширный технический опыт в научных кругах и промышленности. До работы в индустрии печатных плат преподавал в Портлендском государственном университете. Проводил магистерское исследование на хемосорбционных газовых датчиках, кандидатское исследование – по теории случайной лазерной генерации. Имеет опыт научных исследований в области лазеров наночастиц, электронных и оптоэлектронных полупроводниковых приборов, систем защиты окружающей среды и финансовой аналитики. Его работа была опубликована в нескольких рецензируемых журналах и материалах конференций, и он написал сотни технических статей блогов по проектированию печатных плат для множества компаний.

Связанные ресурсы

Связанная техническая документация

Вернуться на главную
Thank you, you are now subscribed to updates.
Altium Need Help?