Selezione degli induttori per il passo

L'articolo precedente di questa serie trattava come scegliere i valori degli induttori per i regolatori a commutazione step-down. Questa settimana esamineremo da vicino la corrente dell'induttore in un convertitore a commutazione e considereremo i potenziali vantaggi derivanti dall'aumento o dalla diminuzione dell'induttanza del circuito.

Rinfreschiamoci. Abbiamo concluso l'ultima volta con queste due immagini: uno schema per un convertitore buck implementato in LTspice (Figura 1); e risultati della simulazione per la tensione di uscita e la corrente dell'induttore (Figura 2) con la corrente di carico costante di 70 mA inclusa come riferimento.

Detto questo, consideriamo VOUT. La tensione di uscita prevista era di 3,3 V e il circuito simulato ha una VOUT di 3,26 V. Il termine di efficienza richiesto nel calcolo del ciclo di lavoro è fonte di errori minori: questo termine influisce direttamente sul comportamento del circuito tramite il ciclo di lavoro dell'interruttore. forma d'onda di controllo e un valore presunto del 90% non sarà accurato in tutti i casi.

In ogni caso, non mi interessa davvero il motivo per cui la tensione di uscita simulata è 3,26 V anziché 3,3 V. Come ho spiegato nel mio articolo sulla regolazione in modalità switch, i regolatori a commutazione non raggiungono una regolazione precisa mediante un ciclo di lavoro predeterminato . Ottengono una regolazione precisa mediante un controllo ad anello chiuso in cui il feedback e un ciclo di lavoro regolabile consentono al regolatore di bloccarsi sulla tensione di uscita desiderata.

Ricorda inoltre che la formula del ciclo di lavoro utilizzata nell'articolo precedente è in realtà una formula per il ciclo di lavoro massimo:

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{efficienza}}$$

Questa formula ci dice che non avremo mai bisogno di un ciclo di lavoro superiore a ~15% per produrre 3,3 V da 24 V. Tuttavia, avremo bisogno di un ciclo di lavoro inferiore a ~15% in determinate condizioni operative: ad esempio, se mantengo l'input tensione uguale e diminuire la corrente di carico da 70 mA a 5 mA, ho bisogno di un ciclo di lavoro di circa il 9% per generare un'uscita da 3,3 V.

Il nostro obiettivo di progettazione era una corrente di ripple dell'induttore del 30%, il che significa che la corrente massima e minima dell'induttore dovrebbe essere 80,5 mA e 59,5 mA:

\begin{array}\\ I_{L,max}=70\ mA+(0,15\times70\ mA)= 80,5\ mA \\ I_{L,min}=70\ mA-(0,15\times70\ mA)=59,5 \ mA \end{array}

Come puoi vedere dalla casella delle informazioni del cursore (Figura 3), ci siamo andati molto vicini:

Sebbene abbiamo utilizzato come obiettivo una corrente di ondulazione del 30%, una linea guida più generale è compresa tra il 20% e il 40%. Sulla base di ciò, siamo ben all'interno dell'intervallo accettabile: abbiamo un valore di induttanza appropriato e, se ritenuto necessario, un buon punto di partenza per l'ottimizzazione.

Voglio anche commentare la forma della forma d'onda corrente. È una sorta di onda triangolare sbilenca, tipica di ciò che vedrai se cerchi immagini della corrente dell'induttore del regolatore di commutazione. Se sovrapponiamo la forma d'onda del controllo dell'interruttore (Figura 4), vediamo immediatamente cosa causa questa caratteristica:

Come mostra la traccia rossa, il nostro ciclo di lavoro è molto inferiore al 50%; il tempo di accensione è quindi notevolmente più breve del tempo di spegnimento. Tuttavia, la corrente dell'induttore copre la stessa distanza verticale in entrambe le parti del ciclo, quindi i cicli di lavoro superiori o inferiori al 50% portano a una forma d'onda asimmetrica.

Abbiamo utilizzato una formula di base per arrivare a un valore di induttanza ragionevole, ma dove andiamo da qui? Se siamo soddisfatti delle prestazioni fornite da 90 μH, possiamo definirle buone e passare all'attività di progettazione successiva. Spesso, però, c’è margine di miglioramento.

Un vantaggio di un valore di induttanza più elevato è la riduzione dell'ondulazione di uscita: l'ondulazione della corrente dell'induttore è inversamente proporzionale all'induttanza e una maggiore ondulazione dell'induttore porta a una maggiore ondulazione dell'uscita se non viene modificato nient'altro nel circuito.

I grafici seguenti (Figura 5 e Figura 6) mostrano ΔIL e ΔVOUT per il circuito originale (L = 90 μH) e un circuito modificato con L = 30 μH; per facilitare il confronto visivo diretto, la configurazione per entrambi gli assi è la stessa.

Anche se non sei particolarmente preoccupato per l'ondulazione VOUT, un'ondulazione elevata della corrente dell'induttore può comunque essere svantaggiosa. Può portare a: