Cómo Elegir el Inductor de Montaje Superficial Adecuado para su Convertidor DC‑DC

Entender los fundamentos de conversión de potencia en modo conmutado es esencial para seleccionar el inductor más adecuado para cualquier aplicación DC‑DC. Esta guía, escrita por Mitchell Rhine, Director de Ingeniería en Signal Transformer, explica conceptos clave y pasos prácticos.

Los reguladores lineales de voltaje disipan potencia como calor: el voltaje caído a través del transistor de paso multiplicado por la corriente de carga iguala potencia desperdiciada. En contraste, un convertidor DC‑DC en modo conmutado opera encendiendo y apagando rápidamente el transistor de potencia con un ciclo de trabajo que, tras filtrado, entrega el voltaje de salida deseado. Cuando el transistor está encendido, la caída de voltaje es insignificante; cuando está apagado, no fluye corriente. Este comportamiento conmutado puede reducir disipación de potencia cerca de cero, permitiendo eficiencias hasta 95% —muy superior al ~50% típico de reguladores lineales. Adicionalmente, la topología de convertidores en modo conmutado les permite funcionar como buck (step‑down), boost (step‑up) o buck‑boost (inversor).

Para claridad, nos enfocamos en la configuración más usada: un convertidor buck de frecuencia fija operando en modo continuo.

Fig. 1: Un convertidor DC‑DC conmutado simple.

Un convertidor buck básico comprende un interruptor, un inductor, un condensador y un diodo (ver Fig. 1). Asumiendo interruptor y diodo ideales (V_sw = 0 y V_d = 0) simplifica el análisis, pero diseños reales deben considerar caídas de voltaje no‑cero.

Durante el período ON, el diodo está polarizado inversamente y la corriente sube linealmente desde la entrada a la salida a través del inductor. Cuando el interruptor se apaga, la energía almacenada en el inductor fuerza a la corriente a continuar fluyendo; el diodo se polariza directamente, permitiendo que la corriente decaiga a cero antes del siguiente ciclo ON. Esta acción de rampa almacena energía en el núcleo magnético durante la fase ON y la libera durante la fase OFF.

Fig. 2: Forma de onda de corriente del inductor en un convertidor buck.

La forma de onda de corriente consiste en un componente DC igual a la corriente de carga (I_load) y un componente AC que sube y baja periódicamente. En estado estable, la corriente al final de un ciclo de conmutación iguala la corriente al inicio.

Desde el control de ciclo de trabajo, el voltaje de salida viene dado por

V_out = D · V_in (Ecuación 1)

donde D = t_on / (t_on + t_off) y la frecuencia de conmutación es f_sw = 1 / (t_on + t_off), con t_on = D / f_sw.

Sumando las caídas de voltaje a través de componentes durante el período ON (asumiendo V_sw = 0) se obtiene

V_in – V_ind – V_out = 0 (Ecuación 2)

Sustituyendo V_ind = L · di/dt, donde di ≈ I_ramp y dt = t_on, obtenemos

L · I_ramp = (V_in – V_out) · t_on (Ecuación 3)

La Ecuación 3 muestra que para una diferencia fija de voltaje entrada‑salida, el producto de inductancia y rampa de corriente es constante. Aumentar L reduce I_ramp, mientras un L menor agranda el rizado de corriente. Si L se elige demasiado pequeño, I_ramp puede volverse lo bastante grande para que la corriente del inductor caiga a cero en parte del ciclo —entrando en operación modo discontinuo.

Un I_ramp grande no solo aumenta rizado de voltaje de salida sino que también eleva pérdidas AC de núcleo. Como regla práctica, I_ramp debe permanecer una fracción pequeña de la corriente de carga máxima para mantener rizado y pérdidas aceptables.

La corriente pico máxima que el inductor debe soportar en operación estado estable es

I_max = I_{load, max} + I_ramp/2 (Ecuación 4)

Mientras I_ramp es independiente de I_load, depende del voltaje de entrada. Considerando el período OFF, con V_d = 0, tenemos

V_ind – V_out = 0 (Ecuación 5)

Usando V_ind = L · di/dt con dt = t_off resulta

I_ramp = V_out · t_off / L (Ecuación 6)

Como V_out es constante, I_ramp alcanza su máximo cuando t_off (y por tanto V_in) está en su punto más alto. Esto determina el peor caso I_max vía Ecuación 4.

Con los requisitos de inductancia y corriente pico establecidos, el siguiente paso es seleccionar un inductor que cumpla restricciones eléctricas y mecánicas de la placa. Inductores blindados o de baja EMI son ideales para diseños densos de alto rendimiento —como los de dispositivos IoT— porque su flujo magnético está confinado, reduciendo interferencia radiada.

Por ejemplo, la serie SCRH de Signal Transformer ofrece piezas blindadas magnéticamente con inductancias de 1.0 µH a 180 µH, corrientes de saturación de 0.15 A a 5.0 A, y alturas de paquete entre 1.9 mm y 4 mm. Si se necesita mayor inductancia, la serie SCxxxxC provee valores de 10 µH a 1 mH, corrientes de saturación de 0.045 A a 8 A, y alturas de 2.92 mm a 7.62 mm. Series adicionales disponibles para aplicaciones de alta corriente o que requieran inductores sin blindaje que maximicen eficiencia y manejo de potencia en paquete de bajo perfil.

Fuente imagen destacada: Signal Transformer