Выбор значений индуктора для шага

Понижающий преобразователь, также называемый понижающим преобразователем, представляет собой импульсный стабилизатор напряжения, который эффективно преобразует входное напряжение постоянного тока в более низкое выходное напряжение постоянного тока. В этой серии статей мы используем LTspice для исследования электрического поведения импульсного преобразователя напряжения. В этой статье мы познакомимся с задачами проектирования и компромиссами, связанными с индуктором схемы.

Схема LTspice, показанная на рисунке 1, позволит нам смоделировать силовую ступень понижающего преобразователя. Чтобы получить полноценный преобразователь, нам нужно будет добавить контур управления с обратной связью для регулирования напряжения.

В примечаниях по применению от Texas Instruments приведено следующее уравнение для расчета размера дросселя:

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Каждый из этих терминов требует некоторого пояснения:

ВОУТ: Это регулируемое выходное напряжение, для которого вы хотите спроектировать. В конечном итоге вы можете использовать стабилизатор с более высоким или более низким выходным напряжением, и это нормально, но если вы существенно измените выходное напряжение, преобразователь может получить выгоду от нового значения индуктивности.

ВИН:Точно так же мы часто ожидаем, что импульсный стабилизатор будет выдерживать определенный диапазон входных напряжений, поэтому, если ваш VIN не фиксирован, вы можете выбрать значение где-то в середине диапазона.

fS (частота переключения): Вам нужно подумать о частоте переключения, прежде чем вы сможете рассчитать значение индуктивности. Разумной отправной точкой является что-то между 200 кГц и 2 МГц. Если вам нужны советы о том, следует ли вам отдавать предпочтение нижнему или верхнему пределу этого диапазона, прочтите мою статью «Как выбрать частоту импульсного регулятора».

ΔIL:Это означает пульсацию тока дросселя, т. е. размах колебаний тока дросселя, как показано на рисунке 2.

В ответ на включение/выключение переключающего элемента ток дросселя в понижающем преобразователе увеличивается и уменьшается, поднимаясь выше и ниже тока нагрузки (который является средним значением тока дросселя). Величина этих отклонений выражается как пульсация тока дросселя (ΔIL).

Если выразить пульсацию тока (CR) в процентах от ожидаемого тока нагрузки, рекомендуемое значение CR составит 30%. Это означает, что максимальный ток дросселя на 15 % превышает ожидаемый ток нагрузки, а минимальный ток дросселя на 15 % ниже ожидаемого тока нагрузки.

Вместо «ожидаемого тока нагрузки» вы можете увидеть такие термины, как «максимальный ток нагрузки» или «ток полной нагрузки». Я интерпретирую все это как максимальный ток нагрузки, который регулятору необходимо будет обеспечивать в течение длительного времени. Я бы не стал учитывать необычно высокие переходные токи при установке целевого значения ΔIL.

Давайте рассмотрим пример определения размера индуктора. Мы изменим различные параметры в моей схеме LTspice, чтобы сделать здесь что-то действительно новое.

Давайте представим, что наша цель — принять достаточно высокое напряжение системы и создать шину напряжения, подходящую для маломощной встроенной системы со смешанными сигналами. Предположим, что наше номинальное входное напряжение составляет 24 В, а желаемое выходное напряжение — 3,3 В. Ожидаемый ток нагрузки — 70 мА.

Импульсный регулятор предпочтителен для такого рода приложений, поскольку большая разница между входом и выходом только усилит присущую линейному регулятору неэффективность.

Поскольку мы будем питать некоторые аналоговые схемы, я хочу уменьшить пульсации выходного напряжения. Кроме того, я собираюсь выбрать более высокую частоту переключения, скажем, 1,5 МГц, поскольку более высокие частоты переключения помогают уменьшить пульсации выходного сигнала.

Нам также необходимо выбрать начальный рабочий цикл. Для этого мы можем использовать максимальный рабочий цикл, который понадобится схеме для указанного входного и выходного напряжения, и мы рассчитываем максимальный рабочий цикл следующим образом:

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

Разумное приближение эффективности — 90 %, поэтому наш максимальный рабочий цикл составляет около 15 %: