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.

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:

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:

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.

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.