Selecionando Indutores para Passo

O artigo anterior desta série abordou como escolher valores de indutores para reguladores de comutação redutores. Esta semana, daremos uma olhada mais de perto na corrente do indutor em um conversor de modo chaveado e consideraremos os benefícios potenciais de aumentar ou diminuir a indutância do circuito.

Vamos atualizar. Encerramos da última vez com estas duas imagens: um esquema para um conversor buck implementado em LTspice (Figura 1); e resultados de simulação para tensão de saída e corrente do indutor (Figura 2) com a corrente de carga constante de 70 mA incluída como referência.

Com isso resolvido, vamos considerar o VOUT. Nossa tensão de saída pretendida era de 3,3 V, e o circuito simulado tem um VOUT de 3,26 V. O termo de eficiência exigido no cálculo do ciclo de trabalho é uma fonte de pequenos erros: este termo afeta diretamente o comportamento do circuito através do ciclo de trabalho da chave. controle a forma de onda, e um valor assumido de 90% não será preciso em todos os casos.

De qualquer forma, eu realmente não me importo por que a tensão de saída simulada é de 3,26 V em vez de 3,3 V. Como expliquei em meu artigo sobre regulação de modo de comutação, os reguladores de comutação não alcançam uma regulação precisa por meio de um ciclo de trabalho predeterminado. . Eles alcançam uma regulação precisa por meio de controle de malha fechada, no qual o feedback e um ciclo de trabalho ajustável permitem que o regulador trave na tensão de saída desejada.

Lembre-se também de que a fórmula do ciclo de trabalho usada no artigo anterior é na verdade uma fórmula para o ciclo de trabalho máximo:

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

Esta fórmula nos diz que nunca precisaremos de mais de ~15% do ciclo de trabalho para produzir 3,3 V a partir de 24 V. Precisaremos, no entanto, de menos de ~15% do ciclo de trabalho sob certas condições operacionais: por exemplo, se eu mantiver a entrada tensão for a mesma e diminuir a corrente de carga de 70 mA para 5 mA, preciso de um ciclo de trabalho de aproximadamente 9% para gerar uma saída de 3,3 V.

Nosso objetivo de projeto era uma corrente de ondulação do indutor de 30%, o que significa que a corrente máxima e mínima do indutor deveria ser 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{matriz}

Como você pode ver na caixa de informações do cursor (Figura 3), chegamos bem perto:

Embora tenhamos usado 30% de corrente de ondulação como meta, uma diretriz mais geral está em algum lugar entre 20% e 40%. Com base nisso, estamos dentro da faixa aceitável – temos um valor de indutância apropriado e, caso seja considerado necessário, um bom ponto de partida para otimização.

Também quero comentar sobre o formato da forma de onda atual. É uma espécie de onda triangular assimétrica, típica do que você verá se procurar imagens da corrente do indutor do regulador de comutação. Se sobrepormos a forma de onda do interruptor de controle (Figura 4), vemos imediatamente o que causa esta característica:

Como mostra o traço vermelho, nosso ciclo de trabalho é muito inferior a 50%; o tempo de ligação é, portanto, significativamente mais curto do que o tempo de desligamento. No entanto, a corrente do indutor cobre a mesma distância vertical em ambas as partes do ciclo, de modo que ciclos de trabalho acima ou abaixo de 50% levam a uma forma de onda desequilibrada.

Usamos uma fórmula básica para chegar a um valor razoável de indutância, mas para onde vamos a partir daqui? Se estivermos satisfeitos com o desempenho fornecido por 90 μH, podemos considerá-lo bom e passar para a próxima tarefa de design. Muitas vezes, porém, há espaço para melhorias.

Uma vantagem de um valor de indutância mais alto é a ondulação de saída reduzida: a ondulação da corrente do indutor é inversamente proporcional à indutância, e mais ondulação do indutor leva a mais ondulação de saída se nada mais no circuito for alterado.

Os gráficos a seguir (Figura 5 e Figura 6) mostram ΔIL e ΔVOUT para o circuito original (L = 90 μH) e um circuito modificado com L = 30 μH; para facilitar a comparação visual direta, a configuração para ambos os eixos é a mesma.

Mesmo que você não esteja particularmente preocupado com a ondulação do VOUT, a alta ondulação da corrente do indutor ainda pode ser desvantajosa. Isso pode conduzir a: