Как выбрать индуктивность для поверхностного монтажа для преобразователя постоянного / постоянного тока

Понимание основ принципа импульсного преобразователя поможет разработчикам выбрать лучшую катушку индуктивности для своего применения. Автор:Митчелл Райн, технический директор компании Signal Transformer.

У традиционных линейных регуляторов напряжения есть один существенный недостаток:падение напряжения на проходном транзисторе, умноженное на ток нагрузки, равняется потерянной мощности. Часто предпочтительным вариантом является импульсный преобразователь постоянного тока в постоянный, в котором силовые транзисторы постоянно переключаются с рабочим циклом, который с некоторой дополнительной фильтрацией обеспечивает необходимое выходное напряжение.

В этой конфигурации транзистор либо включен, при отсутствии падения напряжения, либо выключен при отсутствии прохождения тока. Это означает, что рассеиваемая мощность стремится к нулю при переключении между состояниями, что дает эффективность до 95%, в то время как линейные преобразователи обычно обеспечивают около 50%. Переключающие преобразователи имеют еще одно важное преимущество в том, что их топология означает, что они могут работать в понижающем (так называемом «понижающем»), повышающем («повышающем») или инвертирующем («понижающем-повышающем») режимах. / P>

Базовое понимание принципа импульсного преобразователя помогает при выборе требуемой катушки индуктивности. В этой статье мы сосредоточимся только на нескольких основных конфигурациях, в первую очередь на очень популярном понижающем преобразователе с фиксированной частотой, работающем в «непрерывном режиме».

Рис. 1. Простой импульсный преобразователь постоянного тока в постоянный.

Базовый понижающий преобразователь состоит только из переключателя, катушки индуктивности, конденсатора и диода ( Рис. 1 ). Предполагая идеальный переключатель и диод, V _sw =0 и V _d =0, упрощает объяснение работы преобразователя. В реальных условиях проектирования для точного определения требуемого значения индуктивности L, ожидаемого рабочего цикла D и эффективности работы V _sw и V _d должны считаться ненулевыми, и их влияние на схему преобразователя должно быть учтено.

Когда переключатель находится в положении ON, диод выключен, и линейный ток течет прямо от входа к выходу. Когда переключатель выключен, напряжение на катушке индуктивности меняет полярность из-за того, что ее индуктивность пытается поддерживать ток. Это приведет к включению «улавливающего» диода, и это приведет к снижению тока до тех пор, пока переключатель не включится снова и цикл не повторится. Нарастающий ток включения увеличивает намагниченность сердечника катушки индуктивности, сохраняя энергию в катушке индуктивности, которая возвращается во время цикла выключения по мере того, как ток спадает.

Рис. 2. Форма линейного изменения импульсного преобразователя постоянного / постоянного тока.

Форма волны тока, протекающего через катушку индуктивности в случае понижающего преобразователя, показана на рис. 2 . Он включает в себя среднюю составляющую постоянного тока и составляющую переменного тока, которая периодически увеличивается и уменьшается. Постоянный ток равен постоянному току нагрузки I _load . В установившемся режиме ток индуктора в конце цикла равен току в начале цикла.

Контролируемое действие переключения приводит к

V _out =D * V _в (Уравнение 1)

где D - рабочий цикл как D =t _on / (t _на + t _выкл ).

Частота переключения определяется f _sw =1 / (t _в + t _выкл ), с t _на =D / f _sw .

Суммируя все падения напряжения, возникающие в цепи во время включения, и предполагая, что V _sw =0, это приводит к

V _в - V _ind - V _out =0 (Уравнение 2)

Если мы теперь заменим V _ind =L * di / dt, где di соответствует величине линейного изменения тока I _ramp и dt время включения t _на , это приведет нас к

L * I _рампа =(V _в - V _out ) * t _на (Уравнение 3)

Это имеет важные последствия, потому что правая часть уравнения 3 является постоянной для данной разности входных и выходных напряжений, что подразумевает то же самое для результирующей частоты переключения и значения t _on . Большее значение L индуктивности соответствует меньшей составляющей линейно нарастающего тока, в то время как меньшие значения индуктивности приведут к большему линейному нарастанию тока. Если довести это до крайнего предела, если индуктивность выбрана очень маленькой, может возникнуть настолько большое линейное изменение тока, что в условиях низкого тока нагрузки общий ток, протекающий через катушку индуктивности, может упасть до нуля в течение части периода переключения. . Это состояние называется прерывистым режимом.

Следует иметь в виду еще одно важное соображение; меньшая индуктивность, которая может быть привлекательной в некоторых приложениях, приводит к большему нарастающему току катушки индуктивности, и это вызывает более высокую пульсацию выходного напряжения. Большой I _пандус также увеличивает потери переменного тока в сердечнике индуктора. Как правило, я _рампа должен быть небольшим по сравнению с максимальным током нагрузки; это определяет значение индуктивности L для данной конструкции системы.

Теперь давайте обратимся к ключевой спецификации в отношении выбора правильного значения индуктивности. Это максимальный пиковый ток через катушку индуктивности. В установившемся режиме это

Я _max =I _{load_max} + I _рампа / 2 (Уравнение 4)

Глядя на уравнение 3, очевидно, что я _ramp не зависит от I _load . Чтобы определить I _max необходимо более детально рассмотреть, как я _накат будет меняться с разными значениями V _в после принятия решения о значениях индуктивности L.

Складываем все падения напряжения и с помощью V _d =0 во время выключения, это приводит к

V _ind - V _out =0 (Уравнение 5)

Учитывая V _ind =L * di / dt, где di - величина изменения тока I _ramp и dt - время выключения t _off , приводит нас к

I _рампа =V _out * t _выкл / L (Уравнение 6)

Если V _out постоянно, I _ramp имеет максимум, когда t _off тоже на максимум. Это происходит, когда V _in находится на максимуме, и это условие определяет I _ramp и максимальный пиковый ток индуктора (уравнение 4).

После определения значения индуктивности и известного максимального тока это, наконец, приводит нас к выбору соответствующего типа индуктора. Экранированные индукторы с низким уровнем электромагнитных помех - хороший выбор для густонаселенных плат, как в случае с новыми конструкциями Интернета вещей. Их преимущество в том, что их магнитный поток удерживается внутри корпуса индуктора, что снижает радиационное воздействие на окружающие дорожки и компоненты печатной платы.

Например, серия SCRH компании Signal Transformer с магнитоэкранированными деталями доступна со значениями индуктивности от 1,0 мкГн до 180 мкГн, токами насыщения от 0,15 до 5,0 А и высотой от 1,9 мм до 4 мм. Если требуется большее значение индуктивности, серия SCxxxxC предлагает значения от 10 мкГн до 1 мГн, с токами насыщения от 0,045 А до 8 А и высотой от 2,92 мм до 7,62 мм. Доступны другие серии для сильноточных приложений, а также неэкранированные катушки индуктивности, обеспечивающие высочайший КПД и надежное управление мощностью, включая низкопрофильные размеры.

рекомендуемый источник изображения:преобразователь сигналов