Выбор правильного SMD-индуктора для вашего DC-DC преобразователя

Обзор

Понимание основ коммутационного питания необходимо для выбора наиболее подходящего индуктора для любого DC-DC применения. Это руководство, написанное Митчеллом Райном, директором инженерии Signal Transformer, объясняет ключевые концепции и практические шаги.

Линейные стабилизаторы напряжения рассеивают мощность как тепло: падение напряжения на проходном транзисторе, умноженное на ток нагрузки, равно потерянной мощности. В отличие от этого, коммутационный DC-DC преобразователь работает, быстро включая и выключая силовой транзистор с коэффициентом заполнения, который после фильтрации доставляет желаемое выходное напряжение. Когда транзистор включен, падение напряжения пренебрежимо мало; когда выключен — ток не течет. Это коммутационное поведение может снизить рассеивание мощности близко к нулю, обеспечивая эффективность до 95% — гораздо выше примерно 50%, типичных для линейных регуляторов. Дополнительно, топология коммутационных преобразователей позволяет им функционировать как buck (понижающие), boost (повышающие) или buck-boost (инвертирующие) схемы.

Для ясности мы фокусируемся на наиболее широко используемой конфигурации: фиксированной частоте buck-преобразователе, работающем в непрерывном режиме.

Рис. 1: Простая коммутационная DC-DC схема.

Базовый buck-преобразователь состоит из ключа, индуктора, конденсатора и диода (см. Рис. 1). Предполагая идеальный ключ и диод (Vsw = 0 и Vd = 0) упрощает анализ, но реальные дизайны должны учитывать ненулевые падения напряжения.

В период ON диод обратно смещен, и ток линейно нарастает от входа к выходу через индуктор. Когда ключ выключается, накопленная в индукторе энергия заставляет ток продолжать течь; диод становится прямо смещенным, позволяя току затухать до нуля перед следующим циклом ON. Это действие нарастания сохраняет энергию в магнитном сердечнике во время фазы ON и освобождает её в фазе OFF.

Рис. 2: Форма тока индуктора в buck-преобразователе.

Форма тока состоит из DC-компоненты, равной току нагрузки (Iload), и AC-компоненты, периодически нарастающей и спадающей. В стационарном состоянии ток в конце цикла коммутации равен току в начале.

Из управления коэффициентом заполнения выходное напряжение задается:

Vout = D · Vin (Уравнение 1)

где D = ton / (ton + toff) и частота коммутации fsw = 1 / (ton + toff), с ton = D / fsw.

Добавляя падения напряжения на компонентах в периоде ON (и предполагая Vsw = 0), получаем:

Vin – Wind – Vout = 0 (Уравнение 2)

Подставляя Wind = L · di/dt, где di ≈ Iramp и dt = ton, получаем:

L · Iramp = (Vin – Vout) · ton (Уравнение 3)

Уравнение 3 показывает, что для фиксированной разницы вход-выход напряжений, произведение индуктивности и тока нарастания постоянно. Увеличение L уменьшает Iramp, в то время как меньшее L увеличивает пульсацию тока. Если L выбрано слишком малым, Iramp может стать достаточно большим, чтобы ток индуктора падал до нуля на части цикла — входя в дисконтинуальный режим работы.

Большой Iramp не только увеличивает выходную пульсацию напряжения, но и повышает переменные потери в сердечнике. Как эмпирическое правило, Iramp должен оставаться малой долей максимального тока нагрузки, чтобы держать пульсацию и потери приемлемыми.

Максимальный пиковый ток, который индуктор должен выдерживать в стационарной работе:

Imax = Iload,max + Iramp/2 (Уравнение 4)

Пока Iramp независим от Iload, он зависит от входного напряжения. Рассматривая период OFF, с Vd = 0, имеем:

Wind – Vout = 0 (Уравнение 5)

Используя Wind = L · di/dt с dt = toff дает:

Iramp = Vout · toff / L (Уравнение 6)

Поскольку Vout постоянно, Iramp достигает максимума, когда toff (а значит Vin) на своем пике. Это определяет худший случай Imax через Уравнение 4.

С установленными требованиями к индуктивности и пиковому току, следующий шаг — выбрать индуктор, соответствующий электрическим и механическим ограничениям платы. Экранированные или низко-EMI индукторы идеальны для плотных, высокопроизводительных дизайнов — таких как в IoT-устройствах — потому что их магнитный поток ограничен, снижая излучаемые помехи.

Например, серия SCRH от Signal Transformer предлагает магнитно экранированные детали с индуктивностью от 1.0 мкГн до 180 мкГн, токами насыщения от 0.15 А до 5.0 А и высотами корпуса от 1.9 мм до 4 мм. Если нужна большая индуктивность, серия SCxxxxC предоставляет значения от 10 мкГн до 1 мГн, токи насыщения от 0.045 А до 8 А и высоты от 2.92 мм до 7.62 мм. Дополнительные серии доступны для высокоточных применений или для тех, кому нужны неэкранированные индукторы, максимизирующие эффективность и мощность в низкопрофильном корпусе.

Источник основного изображения: Signal Transformer