Выбор индукторов для шага

В предыдущей статье этой серии было рассказано, как выбрать номиналы дросселей для понижающих импульсных регуляторов. На этой неделе мы внимательно рассмотрим ток дросселя в импульсном преобразователе и рассмотрим потенциальные преимущества увеличения или уменьшения индуктивности цепи.

Давайте освежим. В прошлый раз мы закончили с этими двумя изображениями: схема понижающего преобразователя, реализованная в LTspice (рис. 1); и результаты моделирования выходного напряжения и тока дросселя (рис. 2) с постоянным током нагрузки 70 мА, включенным в качестве эталона.

Разобравшись с этим, давайте рассмотрим VOUT. Наше предполагаемое выходное напряжение составляло 3,3 В, а смоделированная схема имеет напряжение VOUT 3,26 В. Член эффективности, необходимый для расчета рабочего цикла, является источником незначительной ошибки: этот член напрямую влияет на поведение схемы через рабочий цикл переключателя. форму управляющего сигнала, и предполагаемое значение 90 % не во всех случаях будет точным.

В любом случае, меня не особо волнует, почему моделируемое выходное напряжение составляет 3,26 В вместо 3,3 В. Как я объяснял в своей статье о импульсном регулировании, импульсные стабилизаторы не обеспечивают точного регулирования посредством заранее определенного рабочего цикла. . Они достигают точного регулирования посредством управления с обратной связью, при котором обратная связь и регулируемый рабочий цикл позволяют регулятору фиксироваться на желаемом выходном напряжении.

Помните также, что формула рабочего цикла, использованная в предыдущей статье, на самом деле является формулой максимального рабочего цикла:

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

Эта формула говорит нам, что нам никогда не потребуется рабочий цикл более ~15% для получения 3,3 В из 24 В. Однако нам понадобится рабочий цикл менее ~15% при определенных условиях эксплуатации: например, если я продолжу входной сигнал одинаковое напряжение и уменьшите ток нагрузки с 70 мА до 5 мА, мне нужен рабочий цикл примерно 9% для генерации выходного напряжения 3,3 В.

Нашей целью при проектировании было достижение пульсаций тока дросселя на уровне 30 %, а это означает, что максимальный и минимальный ток дросселя должен составлять 80,5 мА и 59,5 мА:

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

Как вы можете видеть из окна информации о курсоре (рис. 3), мы подошли довольно близко:

Хотя в качестве целевого показателя мы использовали уровень пульсаций тока 30 %, более общая рекомендация составляет где-то между 20 % и 40 %. Исходя из этого, мы находимся в пределах допустимого диапазона — у нас есть подходящее значение индуктивности и, если это будет сочтено необходимым, хорошая отправная точка для оптимизации.

Также хочу прокомментировать форму текущего сигнала. Это своего рода кривая треугольная волна, типичная для того, что вы увидите, если будете искать изображения тока индуктора импульсного регулятора. Если мы наложим форму сигнала управления переключением (рис. 4), мы сразу увидим, что вызывает эту характеристику:

Как показывает красная кривая, наш рабочий цикл намного меньше 50%; поэтому время включения значительно короче времени выключения. Однако ток дросселя покрывает одно и то же вертикальное расстояние в обеих частях цикла, поэтому коэффициент заполнения выше или ниже 50% приводит к однобокой форме сигнала.

Мы использовали базовую формулу, чтобы получить разумное значение индуктивности, но куда нам двигаться дальше? Если нас устраивает производительность, обеспечиваемая 90 мкГн, мы можем назвать ее хорошей и перейти к следующей задаче проектирования. Однако зачастую есть возможности для улучшения.

Одним из преимуществ более высокого значения индуктивности является уменьшение пульсаций на выходе: пульсации тока дросселя обратно пропорциональны индуктивности, а увеличение пульсаций дросселя приводит к увеличению пульсаций на выходе, если ничего больше в цепи не меняется.

На следующих графиках (рис. 5 и рис. 6) показаны ΔIL и ΔVOUT для исходной схемы (L = 90 мкГн) и модифицированной схемы с L = 30 мкГн; Для облегчения прямого визуального сравнения конфигурация обеих осей одинакова.

Даже если вас не особенно беспокоят пульсации VOUT, высокие пульсации тока дросселя все равно могут оказаться невыгодными. Это может привести к: