Cách Chọn Cuộn Cảm cho Bộ Chuyển Đổi Buck

Một SMPS là một trong những thiết bị yên tĩnh (nhưng về mặt điện lại ồn ào) giúp các thiết bị điện tử yêu thích của bạn hoạt động mượt mà. Chúng nằm im lặng ở phía sau làm nhiệm vụ của mình, nhưng mạch của bạn sẽ không hoạt động nếu thiếu chúng. Là một phần của thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC cho các ứng dụng tiêu thụ năng lượng cao, việc lựa chọn linh kiện khá quan trọng để đảm bảo cung cấp điện ổn định cho tải với hiệu suất cao.

Trong số nhiều kiểu topologies bộ chuyển đổi DC-DC, bộ chuyển đổi buck được sử dụng rộng rãi để giảm điện áp đầu vào xuống mức thấp hơn trong khi cung cấp chuyển đổi điện năng hiệu suất cao. Một câu hỏi phổ biến về việc lựa chọn linh kiện cho các bộ chuyển đổi điện này là làm thế nào để chọn một cuộn cảm cho bộ chuyển đổi buck. Mục tiêu khi làm việc với cuộn cảm và các linh kiện khác trong bộ chuyển đổi buck là hạn chế mất mát năng lượng thành nhiệt và trong khi giảm thiểu dòng điện rối.

Cuộn cảm trong Bộ Chuyển Đổi Buck

Sơ đồ cơ bản của bộ chuyển đổi buck cho SMPS được hiển thị dưới đây. Trong sơ đồ này, tín hiệu đầu ra từ MOSFET được điều khiển bằng tín hiệu PWM, làm cho MOSFET bật và tắt với chu kỳ làm việc do người dùng chọn. Cuộn cảm và tụ điện đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dòng điện ổn định cho tải khi tín hiệu PWM chuyển đổi. Cuối cùng, chu kỳ làm việc của tín hiệu PWM là chức năng chính cho phép người dùng kiểm soát điện áp đầu ra cung cấp cho tải.

Cuộn cảm sẽ liên tục chuyển đổi cùng tốc độ với tín hiệu PWM, do đó nó chịu trách nhiệm gây ra một số dao động nhỏ trên dòng điện gửi đến đầu ra. Cuộn cảm và tụ điện tạo thành một bộ lọc L, cơ bản là một bộ lọc băng thông cấp 2. Giả sử bạn sử dụng một tụ điện lớn có ESR thấp, tụ điện sẽ cung cấp trở kháng thấp và các thành phần tần số cao tạo nên dao động sẽ được loại bỏ phần lớn.

Cách Chọn Cuộn Cảm cho Bộ Chuyển Đổi Buck của Bạn

Giá trị phù hợp cho cuộn cảm của bạn phụ thuộc vào dòng điện dao động mà thiết kế của bạn có thể chấp nhận được, cũng như chu kỳ làm việc bạn dự định sử dụng cho tín hiệu PWM của mình. Phương trình sau đây cho thấy điện áp đầu ra là một hàm số của điện áp sụt do diode và điện áp sụt khi MOSFET ở trạng thái ON. Sau khi tính toán những điện áp này, điện áp đầu ra là:

Tôi sẽ bỏ qua một số phép toán và đi thẳng vào kết quả quan trọng. Đầu tiên, độ tự cảm và tần số PWM tỷ lệ nghịch với điện áp dao động. Thứ hai, dao động cũng là một hàm bậc hai của chu kỳ làm việc PWM. Dòng điện dao động trong bộ chuyển đổi buck là:

Lưu ý rằng thời gian tăng của tín hiệu PWM không xuất hiện trong cả hai phương trình. Tuy nhiên, thời gian tăng quan trọng ở chỗ nó đóng vai trò trong việc xác định tiếng ồn phát ra từ bộ chuyển đổi và tổn thất (xem thêm chi tiết bên dưới). Kết quả quan trọng có thể được tóm tắt như sau:

• Tăng chu kỳ làm việc sẽ giảm dao động, nhưng nó cũng sẽ đưa điện áp đầu ra gần hơn với điện áp đầu vào.
• Tăng tần số PWM sẽ giảm nhiễu sóng, nhưng điều này sẽ tăng sự tỏa nhiệt trong MOSFET. Tuy nhiên, lại có một lưu ý ở đây: sử dụng tín hiệu PWM với tốc độ biên nhanh hơn sẽ giảm thiểu những tổn thất từ tần số PWM cao hơn (xem lại bên dưới).
• Sử dụng điện áp đầu vào lớn hơn đòi hỏi phải sử dụng cuộn cảm lớn hơn để giảm nhiễu sóng xuống mức chấp nhận được. Nói chung, hãy sử dụng cuộn cảm lớn hơn để giảm nhiễu sóng.

Tại sao Thời gian Tăng PWM lại Quan trọng

Cuộn cảm có trách nhiệm tạo ra và đồng thời ngăn chặn nhiễu sóng trên dòng điện đầu ra, mặc dù điều này có thể được thiết lập là một mục tiêu thiết kế trong thiết kế sử dụng các hướng dẫn trên. Tuy nhiên, có một số khía cạnh quan trọng của bất kỳ bộ điều chỉnh chuyển mạch nào mà cuộn cảm không thể kiểm soát:

• Nhiễu EMI bức xạ từ phần tử chuyển mạch: nhiễu chuyển mạch từ transistor có thể gây ra một số nhiễu trong các mạch hạ lưu.
• Tổn thất nhiệt do hiệu ứng da: đây là một chức năng của hình dạng hình học của cuộn cảm và không phải là giá trị cảm kháng. Nếu cuộn cảm có diện tích tiết diện lớn hơn và độ dẫn nhiệt cao hơn, nhiệt có thể được tỏa ra từ cuộn cảm với tốc độ cao hơn.
• Mất nhiệt trong transistor: transistor tỏa ra phần lớn nhiệt khi chuyển đổi và điều chỉnh. Tuy nhiên, việc sử dụng tốc độ cạnh nhanh hơn sẽ giảm thiểu mất nhiệt này vì MOSFET sẽ tắt hoàn toàn hơn giữa các dao động PWM.

Những nguồn gây nhiễu này phụ thuộc vào tần số và tốc độ cạnh của tín hiệu PWM. Nếu bạn vận hành một bộ chuyển đổi buck ở tần số chuyển mạch cao hơn mà không thay đổi chu kỳ làm việc, bạn sẽ bình thường mất nhiều năng lượng hơn dưới dạng nhiệt trong MOSFET. Sự đánh đổi khi sử dụng tốc độ cạnh nhanh hơn là nguy cơ gây ra nhiều nhiễu tần số cao hơn trong các mạch hạ lưu và mất nhiều nhiệt hơn qua hiệu ứng da. Đọc thêm về những điểm này trong bài viết này.

Với các tính năng thiết kế sơ đồ và bố trí PCB trong Altium Designer®, bạn có thể tạo ra bảng mạch bạn cần cho nguồn cung cấp điện tiếp theo của mình và chuẩn bị thiết kế của bạn cho việc sản xuất. Bạn cũng sẽ có quyền truy cập vào một loạt lớn các linh kiện, với các biểu tượng sơ đồ và mô hình 3D được cung cấp trực tiếp bởi các nhà sản xuất. Tất cả các tính năng này đều có thể truy cập trong một môi trường thiết kế duy nhất, giúp bạn duy trì năng suất và xây dựng sản phẩm tiếp theo của mình một cách nhanh chóng.

Giờ đây bạn có thể tải về bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ sắp xếp, mô phỏng và lập kế hoạch sản xuất hàng đầu trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để biết thêm thông tin.