Cómo elegir un inductor de montaje en superficie para un convertidor CC / CC

Comprender los conceptos básicos del principio del convertidor de modo conmutado ayudará a los diseñadores a seleccionar el mejor inductor para su aplicación. Por Mitchell Rhine, director de ingeniería, Signal Transformer.

Los reguladores de voltaje lineal tradicionales tienen un inconveniente importante:el voltaje que cae a través del transistor de paso multiplicado por la corriente de carga equivale a la potencia desperdiciada. La opción preferida suele ser un convertidor CC / CC en modo de conmutación, en el que los transistores de potencia cambian continuamente con un ciclo de trabajo que, con algún filtrado adicional, proporciona el voltaje de salida requerido.

En esta configuración, el transistor está ENCENDIDO, sin caída de voltaje, o APAGADO sin paso de corriente. Esto significa que la disipación de potencia tiende a bajar a cero cuando se cambia entre estados, lo que produce una eficiencia de hasta el 95%, mientras que los convertidores lineales suelen ofrecer alrededor del 50%. Los convertidores de conmutación tienen otra ventaja importante, ya que su topología significa que pueden operar en los modos reductor (llamado "buck"), step-up ("boost") o invertido ("buck-boost").

Una comprensión básica del principio del convertidor de modo conmutado es útil para seleccionar el inductor requerido. Este artículo se enfocará en algunas configuraciones básicas, principalmente en el popular convertidor reductor de frecuencia fija operado en "modo continuo".

Fig. 1:un convertidor CC / CC de conmutación simple.

Un convertidor reductor básico consta de un interruptor, un inductor, un condensador y un diodo ( Fig. 1 ). Suponiendo un interruptor y un diodo ideales, V _sw =0 y V _d =0, simplifica la explicación del funcionamiento del convertidor. En un caso de diseño del mundo real, para determinar con precisión el valor de inductancia requerido L, el ciclo de trabajo esperado D y la eficiencia operativa, V _sw y V _d deben considerarse distintos de cero y deben incluirse sus efectos en el circuito del convertidor.

Cuando el interruptor está en ON, el diodo está apagado y una corriente de rampa fluye directamente de entrada a salida. Cuando el interruptor está APAGADO, el voltaje a través del inductor invierte la polaridad debido a que su inductancia intenta mantener el flujo de corriente. Esto encenderá el diodo de "captura", y esto hará que la corriente disminuya hasta que el interruptor se encienda nuevamente y el ciclo se repita. La rampa de corriente ON aumenta la magnetización del núcleo del inductor, almacenando energía en el inductor, que se devuelve durante el ciclo OFF a medida que la corriente desciende.

Fig. 2:La forma de onda de rampa de un convertidor CC / CC de conmutación.

La forma de onda de la corriente que fluye a través del inductor en el caso de un convertidor reductor se muestra en Fig. 2 . Incluye un componente de CC promedio y un componente de CA, que aumenta y disminuye periódicamente. La corriente CC es igual a la corriente de carga CC I _carga . En condiciones de estado estacionario, la corriente del inductor al final del ciclo es igual a la del comienzo del ciclo.

La acción de conmutación controlada da como resultado

V _out =D * V _en (Ecuación 1)

siendo D el ciclo de trabajo como D =t _on / (t _en + t _apagado ).

La frecuencia de conmutación está determinada por f _sw =1 / (t _en + t _apagado ), con t _activado =D / f _sw .

Sumando todas las caídas de voltaje generadas en el circuito durante el tiempo de ENCENDIDO, y asumiendo que V _sw =0, esto da como resultado

V _en - V _ind - V _out =0 (Ecuación 2)

Si ahora sustituimos V _ind =L * di / dt, con di parecida a la magnitud de la rampa actual I _ramp y dt el tiempo de ENCENDIDO t _en , esto nos llevará a

L * I _rampa =(V _en - V _out ) * t _en (Ecuación 3)

Esto tiene una consecuencia significativa porque el lado derecho de la Ecuación 3 es constante para una diferencia de voltaje de entrada a salida dada, lo que implica lo mismo para la frecuencia de conmutación resultante y el valor de t _en . Un valor de inductancia L más grande equivale a un componente de corriente de rampa más pequeño, mientras que los valores de inductancia más pequeños conducirán a una rampa de corriente más grande. Llevando esto al extremo, si se elige que la inductancia sea muy pequeña, puede haber una rampa de corriente tan grande que en una condición de corriente de baja carga, la corriente total que fluye a través del inductor podría caer a cero durante parte del período de conmutación. . Esta condición se llama modo discontinuo.

Hay otra consideración importante que debe tenerse en cuenta; una inductancia más pequeña, que puede ser atractiva en algunas aplicaciones, conduce a una corriente de rampa de inductor más grande, y esto provoca que se produzca una ondulación más alta en el voltaje de salida. Una gran I _rampa también aumenta las pérdidas del núcleo de CA en el inductor. Como pauta general, _rampa debe ser pequeño en comparación con la corriente de carga máxima; esto determina el valor de inductancia L para un diseño de sistema dado.

Ahora, pasemos a una especificación clave con respecto a la elección del valor de inductancia adecuado. Es la corriente de pico máxima a través del inductor. En funcionamiento en estado estable, es

Yo _max =I _{load_max} + I _rampa / 2 (Ecuación 4)

Al observar la Ecuación 3, es evidente que _rampa es independiente de I _load . Para determinar I _max , se necesita una consideración más detallada sobre cómo _rampa variará con diferentes valores de V _en después de decidir los valores del inductor L.

Sumando todas las caídas de voltaje y con V _d =0 durante el tiempo de inactividad, esto da como resultado

V _ind - V _out =0 (Ecuación 5)

Considerando V _ind =L * di / dt, siendo di la magnitud de la rampa actual I _rampa y dt es el tiempo de APAGADO t _apagado , nos lleva a

Yo _rampa =V _out * t _apagado / L (Ecuación 6)

Si V _out es constante, I _rampa está en un máximo cuando t _off también está al máximo. Esto ocurre cuando V _en está en un máximo, y esta condición determina que I _rampa y la corriente máxima del inductor de pico (Ecuación 4).

Con el valor de inductancia determinado y la corriente máxima conocida, esto finalmente nos lleva a la selección del tipo de inductor apropiado. Los inductores blindados y de baja EMI son buenas opciones para placas densamente pobladas, como es el caso de los nuevos diseños de IoT. Su ventaja es que su flujo magnético está contenido dentro del cuerpo del inductor, lo que resulta en un menor impacto de radiación en las trazas y componentes de PCB circundantes.

Como ejemplo, la serie SCRH de Signal Transformer de piezas blindadas magnéticamente está disponible con valores de inductancia que van desde 1.0 µH a 180 µH, corrientes de saturación desde 0.15 A a 5.0 A, y alturas de 1.9 mm a 4 mm. Si se requiere un valor de inductancia mayor, la Serie SCxxxxC ofrece valores de 10 µH a 1 mH, con corrientes de saturación de 0.045 A a 8 A y alturas de 2.92 mm a 7.62 mm. Hay otras series disponibles para aplicaciones de alta corriente, así como inductores sin blindaje para una mayor eficiencia y un manejo de potencia robusto que incluyen dimensiones de bajo perfil.

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