Auswählen der Induktorwerte für Schritt

Ein Tiefsetzsteller, auch Abwärtswandler genannt, ist ein Schaltspannungsregler, der eine DC-Eingangsspannung effizient in eine niedrigere DC-Ausgangsspannung umwandelt. In dieser Artikelserie verwenden wir LTspice, um das elektrische Verhalten eines Schaltspannungswandlers zu untersuchen. In diesem Artikel werden zunächst die Entwurfsaufgaben und Kompromisse im Zusammenhang mit der Induktivität der Schaltung untersucht.

Mit dem in Abbildung 1 dargestellten LTspice-Schaltplan können wir die Leistungsstufe eines Abwärtswandlers simulieren. Um einen vollständigen Wandler zu erhalten, müssten wir einen Rückkopplungsregelkreis hinzufügen, um die Spannung zu regeln.

Ein Anwendungshinweis von Texas Instruments liefert die folgende Gleichung zur Berechnung der Induktorgröße:

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Jeder dieser Begriffe bedarf einer Erklärung:

VOUT: Dies ist die geregelte Ausgangsspannung, für die Sie ausgelegt sein möchten. Möglicherweise verwenden Sie Ihren Regler am Ende mit einer höheren oder niedrigeren Ausgangsspannung, und das ist in Ordnung, aber wenn Sie die Ausgangsspannung stark ändern, kann der Wandler von einem neuen Induktivitätswert profitieren.

Fahrgestellnummer:Ebenso gehen wir oft davon aus, dass ein Schaltregler einen Bereich von Eingangsspannungen toleriert. Wenn Ihre VIN also nicht festgelegt ist, können Sie einen Wert irgendwo in der Mitte des Bereichs wählen.

fS (Schaltfrequenz): Bevor Sie den Induktivitätswert berechnen können, müssen Sie über die Schaltfrequenz nachdenken. Etwas zwischen 200 kHz und 2 MHz ist ein vernünftiger Ausgangspunkt. Wenn Sie eine Orientierungshilfe dazu benötigen, ob Sie das untere oder das obere Ende dieses Bereichs bevorzugen sollten, schauen Sie sich meinen Artikel „So wählen Sie die Frequenz Ihres Schaltreglers“ an.

ΔIL:Dies bezeichnet die Welligkeit des Induktorstroms, d. h. die Spitze-zu-Spitze-Variation des Induktorstroms, wie in Abbildung 2 dargestellt

Als Reaktion auf die Ein-/Aus-Aktion des Schaltelements steigt der Induktorstrom in einem Abwärtswandler an und ab und reicht über und unter den Laststrom (der dem Durchschnittswert des Induktorstroms entspricht). Die Größe dieser Abweichungen wird als Induktorstromwelligkeit (ΔIL) ausgedrückt.

Wenn wir die Stromwelligkeit (CR) als Prozentsatz des erwarteten Laststroms ausdrücken, beträgt die empfohlene CR-Spezifikation 30 %. Das bedeutet, dass der maximale Induktorstrom 15 % über dem erwarteten Laststrom liegt und der minimale Induktorstrom 15 % unter dem erwarteten Laststrom liegt.

Möglicherweise sehen Sie Begriffe wie „maximaler Laststrom“ oder „Volllaststrom“ anstelle von „erwarteter Laststrom“. Ich interpretiere dies alles so, dass es sich um den höchsten Laststrom handelt, den der Regler langfristig liefern muss. Ich würde ungewöhnlich hohe Übergangsströme bei der Festlegung eines ΔIL-Ziels nicht berücksichtigen.

Lassen Sie uns ein Beispiel für die Dimensionierung von Induktoren durchgehen. Wir werden verschiedene Parameter in meiner LTspice-Schaltung ändern, sodass wir hier wirklich etwas Neues machen.

Stellen wir uns vor, dass unser Ziel darin besteht, eine relativ hohe Systemspannung zu akzeptieren und eine Spannungsschiene zu erzeugen, die für ein eingebettetes Mixed-Signal-System mit geringem Stromverbrauch geeignet ist. Wir sagen, dass unsere Nenneingangsspannung 24 V und unsere gewünschte Ausgangsspannung 3,3 V beträgt. Der erwartete Laststrom beträgt 70 mA.

Für diese Art von Anwendung wird ein Schaltregler bevorzugt, da die große Differenz zwischen Eingang und Ausgang die inhärente Ineffizienz eines Linearreglers nur verstärken würde.

Da wir einige analoge Schaltkreise mit Strom versorgen werden, möchte ich die Welligkeit der Ausgangsspannung reduzieren. Außerdem werde ich mich für eine höhere Schaltfrequenz entscheiden – sagen wir 1,5 MHz –, da höhere Schaltfrequenzen dazu beitragen, die Ausgangswelligkeit zu reduzieren.

Wir müssen auch einen anfänglichen Arbeitszyklus wählen. Dazu können wir das maximale Tastverhältnis verwenden, das die Schaltung für die angegebene Eingangs- und Ausgangsspannung benötigt, und das maximale Tastverhältnis wie folgt berechnen:

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

Ein vernünftiger Näherungswert für den Wirkungsgrad liegt bei 90 %, sodass unser maximaler Arbeitszyklus etwa 15 % beträgt:

$$D_{max}=\frac{3,3}{24\times 0,9} = 0,153 = 15,3\%$$

In Abbildung 3 habe ich den Schaltplan mit der Schaltfrequenz und dem Arbeitszyklus aktualisiert.

Ich verwende einen Standardwert von 1 μF für den Kondensator C1. Wir werden die Kondensatordimensionierung in einem zukünftigen Artikel besprechen.

Beachten Sie außerdem, dass ich den Lastwiderstand durch eine Stromquelle, ILOAD, ersetzt habe. Dadurch wird sichergestellt, dass der Laststrom unabhängig von der Ausgangsspannung 70 mA beträgt.

Hier ist unsere Induktivitätsberechnung:

$$L_1=\frac{3,3\ V\times\left(24\ V-3,3\ V\right)}{(0,3\times 70\ \text{ mA}) \times 1,5 \text{ MHz} \times 24 \V}\ungefähr 90,4 \text{ } \mu \text{H}$$

Und hier ist der aktualisierte Schaltplan:

Abbildung 5 zeigt den Induktorstrom, den Laststrom und die Ausgangsspannung aus der Simulation unseres neuen Abwärtswandlers.

Diese Ergebnisse sehen gut aus, es müssen jedoch noch einige Details untersucht werden. Wir werden diese Diskussion im nächsten Artikel fortsetzen und auch Gründe für die Verwendung eines Induktivitätswerts betrachten, der höher oder niedriger als der Anfangswert ist, den wir mithilfe der Formel ermittelt haben.