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May 26, 2023

Selección de inductores para paso

El artículo anterior de esta serie cubrió cómo elegir valores de inductor para reguladores de conmutación reductores. Esta semana, analizaremos de cerca la corriente del inductor en un convertidor de modo conmutado y

El artículo anterior de esta serie cubrió cómo elegir valores de inductor para reguladores de conmutación reductores. Esta semana, analizaremos de cerca la corriente del inductor en un convertidor de modo conmutado y consideraremos los beneficios potenciales de aumentar o disminuir la inductancia del circuito.

Refresquémonos. La última vez terminamos con estas dos imágenes: un esquema de un convertidor reductor implementado en LTspice (Figura 1); y resultados de simulación para voltaje de salida y corriente del inductor (Figura 2) con la corriente de carga constante de 70 mA incluida como referencia.

Dejando eso de lado, consideremos VOUT. Nuestro voltaje de salida previsto era 3,3 V y el circuito simulado tiene una VOUT de 3,26 V. El término de eficiencia requerido en el cálculo del ciclo de trabajo es una fuente de error menor: este término afecta directamente el comportamiento del circuito a través del ciclo de trabajo del interruptor. forma de onda de control, y un valor supuesto del 90% no será exacto en todos los casos.

En cualquier caso, realmente no me importa por qué el voltaje de salida simulado es de 3,26 V en lugar de 3,3 V. Como expliqué en mi artículo sobre la regulación en modo conmutado, los reguladores conmutados no logran una regulación precisa mediante un ciclo de trabajo predeterminado. . Logran una regulación precisa mediante un control de circuito cerrado en el que la retroalimentación y un ciclo de trabajo ajustable permiten que el regulador se bloquee en el voltaje de salida deseado.

Recuerde también que la fórmula del ciclo de trabajo utilizada en el artículo anterior es en realidad una fórmula para el ciclo de trabajo máximo:

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

Esta fórmula nos dice que nunca necesitaremos más de ~15% del ciclo de trabajo para producir 3,3 V a partir de 24 V. Sin embargo, necesitaremos menos de ~15% del ciclo de trabajo bajo ciertas condiciones operativas: por ejemplo, si mantengo la entrada voltaje igual y disminuir la corriente de carga de 70 mA a 5 mA, necesito un ciclo de trabajo de aproximadamente 9% para generar una salida de 3,3 V.

Nuestro objetivo de diseño era una corriente de ondulación del inductor del 30%, lo que significa que la corriente máxima y mínima del inductor debería ser 80,5 mA y 59,5 mA:

\begin{array}\\ I_{L,max}=70\ mA+(0.15\times70\ mA)= 80.5\ mA \\ I_{L,min}=70\ mA-(0.15\times70\ mA)=59.5 \mA\end{matriz}

Como puede ver en el cuadro de información del cursor (Figura 3), nos acercamos bastante:

Aunque utilizamos una corriente de ondulación del 30 % como objetivo, una pauta más general es entre el 20 % y el 40 %. En base a eso, estamos dentro del rango aceptable: tenemos un valor de inductancia apropiado y, si se considera necesario, un buen punto de partida para la optimización.

También quiero comentar sobre la forma de la onda actual. Es una especie de onda triangular torcida, típica de lo que verá si busca imágenes de la corriente del inductor del regulador de conmutación. Si superponemos la forma de onda de control del interruptor (Figura 4), inmediatamente vemos qué causa esta característica:

Como muestra el trazo rojo, nuestro ciclo de trabajo es mucho menor que el 50%; Por lo tanto, el tiempo de conexión es significativamente más corto que el tiempo de desconexión. Sin embargo, la corriente del inductor cubre la misma distancia vertical en ambas partes del ciclo, por lo que los ciclos de trabajo superiores o inferiores al 50% provocan una forma de onda desequilibrada.

Hemos utilizado una fórmula básica para llegar a un valor de inductancia razonable, pero ¿hacia dónde vamos a partir de aquí? Si estamos satisfechos con el rendimiento proporcionado por 90 μH, podemos considerarlo bueno y pasar a la siguiente tarea de diseño. Sin embargo, a menudo hay margen de mejora.

Una ventaja de un valor de inductancia más alto es la reducción de la ondulación de salida: la ondulación de la corriente del inductor es inversamente proporcional a la inductancia, y una mayor ondulación del inductor conduce a una mayor ondulación de salida si no se cambia nada más en el circuito.

Los siguientes gráficos (Figura 5 y Figura 6) muestran ΔIL y ΔVOUT para el circuito original (L = 90 μH) y un circuito modificado con L = 30 μH; Para facilitar la comparación visual directa, la configuración para ambos ejes es la misma.

Incluso si no está particularmente preocupado por la ondulación de VOUT, la ondulación de corriente del inductor alta aún puede ser desventajosa. Puede conducir a:

Aún no hemos hablado de DCM. Brevemente, DCM ocurre cuando condiciones de carga ligera hacen que la corriente del inductor llegue a cero durante una parte del ciclo de conmutación. El grado en que DCM es indeseable, o si es indeseable, depende de la aplicación y otros aspectos del diseño del convertidor.

Teniendo todo esto en cuenta, ¿por qué decidiríamos utilizar un valor de inductancia más bajo?

En primer lugar, está el beneficio no eléctrico que esperamos de inductores o condensadores de menor valor: componentes más pequeños y menos costosos. Además, una inductancia más baja (como ocurre con una capacitancia más baja) mejora la respuesta transitoria, lo que significa que el convertidor puede adaptarse más rápidamente al voltaje de entrada y a las variaciones de corriente de carga.

Potencialmente, podríamos decir mucho más sobre el tema de la selección de inductores para reguladores de conmutación, pero creo que hemos cubierto los principios más importantes: cómo leer y analizar los valores de corriente del inductor y los beneficios de los valores de inductancia superiores o inferiores. el de nuestra fórmula inicial. En el próximo artículo, exploraremos la selección de condensadores.