¿Por qué las cargas más pequeñas requieren inductores más grandes en los reguladores Buck?

Una explicación más teórica:

La corriente a través del inductor de un SMPS es como un triángulo. La corriente promedio de este triángulo es igual a tu carga. El valor pico a pico está determinado por los diversos voltajes de entrada y salida, la frecuencia de conmutación, el ciclo de trabajo y el inductor.

La primera figura muestra un convertidor de dólar. El segundo muestra las formas de onda del convertidor buck. Muestra el interruptor S, el voltaje a través del inductor y la corriente a través del inductor.  Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje a través del inductor es Vin-Vout. Cuando el interruptor está abierto, el voltaje a través del inductor es -Vout. El diodo se asume en este ideal y por lo tanto tiene una caída de voltaje cero. Un convertidor de dólar tiene una regla que establece que Vin > Vout, por lo que tiene un voltaje positivo 'cargando' el inductor y un voltaje negativo 'descargando' el inductor. La tasa de cambio en la corriente depende de esta tensión e inductancia. Si desea una salida estable, el paso hacia arriba debe ser tan 'alto' como el paso hacia abajo. De lo contrario se obtiene un promedio de caída o aumento. Hay un equilibrio. En matemáticas, esto se reduce a esto:

El primer término de la fórmula describe el paso hacia arriba, y el segundo término describe el paso hacia abajo. Como puede ver, la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo se han simplificado a t_on y t_off. El ciclo de trabajo solo depende de la relación entre el voltaje de salida sobre el voltaje de entrada. El ciclo de trabajo no cambiará con la carga variable.

El nivel de 'velocidad' de subida y bajada solo cambiará si cambia los voltajes de entrada / salida, el valor del inductor o la frecuencia de conmutación. Aumentar la frecuencia de conmutación disminuirá las subidas y bajadas, pero no siempre es posible aumentar la frecuencia de conmutación (quizás ya esté operando al máximo). Los voltajes de entrada / salida deben permanecer constantes, esa es la aplicación con la que está tratando. Si aumenta el inductor, el cambio de corriente a través del inductor se reducirá. Esa es la única herramienta que tiene disponible.

¿Por qué es esto un problema? Bueno, en las formas de onda que he mostrado, el convertidor está funcionando bien. La corriente mínima a través del inductor no llega a cero. ¿Qué sucede si la corriente promedio cae tanto que el inductor llega a cero?

El convertidor tendría que recurrir al modo discontinuo. No todos los convertidores pueden hacer esto. Esto a veces requiere que el convertidor salte ciclos. Si el convertidor abre el interruptor por un tiempo mínimo, se transfiere una cierta cantidad de energía. Esto se almacena en el condensador, pero no se consume lo suficientemente rápido. Esto influirá en el voltaje de salida, lo que hace que el convertidor sea inestable. Si omite ciclos, el convertidor básicamente espera antes de que el voltaje de salida caiga lo suficiente antes de que requiera otro ciclo.

Un inductor de valor más alto significará que la corriente mínima se acercará a su corriente promedio, posiblemente evitando la operación discontinua. Esto también implica por qué se calcula el inductor mínimo a través de las hojas de datos. Siempre se puede usar un inductor más grande, pero un tamaño menor puede causar problemas en cargas bajas. Sin embargo, si el SMPS también está diseñado para entregar alta potencia en situaciones, el inductor puede ser demasiado voluminoso y caro.

Un convertidor capaz de cambiar al modo discontinuo es bastante libre de problemas con esto y no tienes que pasar por esto. El MC34063 es un chip bastante antiguo y genérico, por lo que es un poco más complicado.

Si no puede colocar un inductor más grande ... agregue una carga mínima usted mismo.

Piensa en lo contrario. Un inductor más grande acumula corriente más lentamente cuando se aplica el mismo voltaje a través de él. Por lo tanto, si necesita mucha corriente, tiene que usar un inductor más pequeño para acumular corriente más rápidamente, o dejar el interruptor más tiempo para construir más corriente.

Para una corriente de salida más pequeña, no es necesario que necesite un inductor más grande. Sin embargo, hay un límite en cuanto a lo breve que es razonable mantener el interruptor encendido, por lo que hay una acumulación de corriente mínima en el inductor en cada ciclo de interruptor. Esa corriente mínima causa un aumento mínimo de voltaje en la salida cuando se descarga allí. Por lo tanto, las fuentes de alimentación de conmutación diseñadas para alta corriente tendrán un mayor voltaje de rizado de salida que aquellas con especificaciones máximas más estrictas, todo lo demás será igual.

Si la ondulación de salida no es una gran preocupación, puede usar el modo discontinuo con un esquema de control de pulso a pedido y obtener la corriente promedio tan baja como desee. La mayoría de los chips SMPS están diseñados para el modo continuo, ya que utilizan alta frecuencia para mantener el tamaño del inductor físico bajo. No van a entrar en todos los compromisos de diseño, y harán algunas suposiciones acerca de lo que usted quiere que sean las características de salida. Esto suele ser bajo ondulación y respuesta transitoria rápida. Con estas consideraciones, hay un rango de corriente limitado donde las características serán "buenas". Al elegir los parámetros lo suficiente para el caso actual más alto, usted se otorga un buen rendimiento a los niveles actuales más bajos.

Las cargas más ligeras requieren más inductancia para permanecer en modo de conducción continua (CCM).

La ecuación de la nota de aplicación que ref. proporciona una inductancia Lmin que coloca al convertidor en el límite entre CCM y el modo de conducción discontinua (DCM). Si utiliza la corriente de carga máxima en este cálculo, el convertidor resultante caerá en DCM a un valor inferior a la carga máxima, donde cambiará su dinámica . (La regulación de CC permanecerá en buen estado). En cambio, base el cálculo de la inductancia en la carga mínima anticipada, por lo que el convertidor permanece en CCM sobre el rango de carga.

Estoy en un bote similar al tuyo con este chip. Por lo que entiendo (y para reiterar lo que se ha dicho anteriormente), usted desea configurar su corriente promedio de tal manera que su pico a la corriente pico a través del inductor esté siempre por encima de 0 amperios. Si observa el gráfico con la corriente promedio, el voltaje y el estado del interruptor, debe asegurarse de que i_min nunca llegue a 0. Para lograr esto, reduzca su ondulación actual y esto permitirá que su corriente promedio también baje ... acercándose a 0 .