Cálculo del tamaño de la tapa y el inductor para el convertidor Buck

Este es un conversor basico básico:

El canal actual del inductor es \ $ I_L \ $, el voltaje sobre el inductor es \ $ V_L \ $. El voltaje sobre la carga (la resistencia) y el condensador es \ $ V_ {out} \ $. El estado superior se denomina estado activado y el estado inferior se denomina estado desactivado. El interruptor está controlado por una señal PWM.

La relación entre \ $ V_L \ $ y \ $ I_L \ $ es: $$ V_ {L} = L \ frac {dI_L} {dt} $$ Cuando se cierra el interruptor del convertidor, \ $ V_L = V_ {in} - V_ {out} \ $, por lo que el voltaje sobre el inductor es positivo. Esto significa que la corriente a través del inductor aumentará como se describe en la relación anterior. Cuando el interruptor está cerrado, \ $ V_L = - V_ {out} \ $ (aquí se descuida la caída de voltaje en el diodo). Así que la corriente a través del inductor disminuirá.

La inductancia limita la tasa de aumento y disminución de la corriente. Entonces use un inductor más grande para una ondulación de corriente más pequeña. Debido a que un capacitor actúa como un búfer de voltaje aquí, un capacitor más grande hará que la ondulación del voltaje sea más pequeña.

Todo depende, por supuesto, de la frecuencia de la señal PWM. Cuanto mayor sea la frecuencia, menor será el tiempo de aumento de la corriente. Por lo tanto, una frecuencia más alta disminuirá la ondulación actual.

Cuando realice o compre un inductor, asegúrese de que la corriente que puede manejar el inductor sea mayor que la corriente máxima, que es la corriente promedio + 50% de la ondulación actual.

Cuando compre un capacitor, asegúrese de que tenga un ESR bajo, por lo que las pérdidas de energía son mínimas.

En este sitio se encuentran muy buenas explicaciones sobre cómo calcular la inductancia y capacitancia requeridas: enlace También hay una calculadora que puede utilizar para calcular la inductancia y la capacitancia requeridas.

¡Diseñar tu propio convertidor de dinero (o impulso) es realmente divertido! Debe tener en cuenta las pérdidas de conmutación y conductancia en el conmutador, las pérdidas de conductancia y núcleo en el inductor, las pérdidas en la capacitancia y el diodo. Diseñar un convertidor reductor es buscar la combinación de frecuencia, C y L con la mayor eficiencia y el menor costo. (Y no convierta su convertidor en un transmisor de radio como lo hice esta mañana :-P)

La imagen es de Wikipedia, que tiene un gran artículo sobre los convertidores de buck .

La elección del inductor es crítica por varias razones:

• dicta la corriente de rizado derivada de los condensadores y, por lo tanto, el voltaje de rizado impuesto en sus ESR, que es el voltaje de rizado de salida
• determina en qué carga las transiciones del convertidor del modo discontinuo al modo continuo, lo que es importante saber para la estabilidad del bucle de retroalimentación (un dólar en modo discontinuo solo necesita una red de compensación de un solo polo; un dólar en modo continuo necesita dos), disipación de potencia (el pico y la potencia del interruptor RMS son más altas en una operación en modo discontinuo que en una operación en modo continuo en el mismo nivel de potencia) y en el ciclo de trabajo (una operación en modo discontinuo tiene una componente de tiempo muerto que hace que el ciclo de trabajo varía con la carga; un ciclo de trabajo de modo continuo está básicamente fijado con respecto a la carga)
• la velocidad de giro actual del inductor colocará un límite superior en la respuesta transitoria del convertidor

En general, es más fácil elegir el inductor que desea y luego dimensionar la capacitancia de salida en términos de voltaje de ondulación; asegúrese de que la ESR combinada le brinde la ondulación que desea, y que las tapas tengan la clasificación adecuada para la corriente de ondulación y la frecuencia que proporcionará el inductor.

Debe asegurarse de que el inductor no se saturará en su peor condición de sobrecarga, ya que la corriente continua puede causar que la permeabilidad del material magnético se desprenda, lo que enviará la onda de conmutación a un nivel alto. Si no tiene experiencia en el diseño magnético, es más fácil elegir un inductor estándar adecuado para un dólar (es decir, uno que especifique cuánta corriente puede manejar antes de saturar).

[Es divertido jugar con material de ferrita de brecha distribuida como Sendust y Kool-Mu, que puede tomar muchos abusos sin saturar y hacer explotar tus interruptores, pero estoy divagando ...]

Linear tiene hojas de datos excelentes con mucha información sobre cómo seleccionar componentes para su SMPS. Por ejemplo, cuando miro la hoja de datos de LTC3127 veo secciones para Buck-Boost Inductor Selección , Selección de capacitores de salida y entrada y Ejemplo de selección de capacitores . Las hojas de datos tienen cálculos detallados.