Auswählen von Induktoren für Schritt

Im vorherigen Artikel dieser Serie ging es um die Auswahl der Induktivitätswerte für Abwärtsschaltregler. Diese Woche werfen wir einen genauen Blick auf den Induktorstrom in einem Schaltwandler und betrachten die potenziellen Vorteile einer Erhöhung oder Verringerung der Induktivität der Schaltung.

Lassen Sie uns auffrischen. Wir haben das letzte Mal mit diesen beiden Bildern abgeschlossen: ein Schaltplan für einen in LTspice implementierten Abwärtswandler (Abbildung 1); und Simulationsergebnisse für Ausgangsspannung und Induktorstrom (Abbildung 2), wobei der konstante Laststrom von 70 mA als Referenz berücksichtigt wurde.

Nachdem das geklärt ist, betrachten wir VOUT. Unsere beabsichtigte Ausgangsspannung betrug 3,3 V, und der simulierte Schaltkreis hat einen VOUT von 3,26 V. Der für die Berechnung des Arbeitszyklus erforderliche Effizienzterm ist eine Quelle kleinerer Fehler: Dieser Term wirkt sich über den Arbeitszyklus des Schalters direkt auf das Schaltungsverhalten aus. Steuerwellenform, und ein angenommener Wert von 90 % ist nicht in allen Fällen genau.

Mir ist es jedenfalls egal, warum die simulierte Ausgangsspannung 3,26 V statt 3,3 V beträgt. Wie ich in meinem Artikel zur Schaltmodusregelung erläutert habe, erreichen Schaltregler keine präzise Regelung über ein vorgegebenes Tastverhältnis . Sie erreichen eine präzise Regelung durch eine Regelung im geschlossenen Regelkreis, bei der Rückkopplung und ein einstellbarer Arbeitszyklus es dem Regler ermöglichen, sich auf die gewünschte Ausgangsspannung einzustellen.

Denken Sie auch daran, dass die im vorherigen Artikel verwendete Arbeitszyklusformel tatsächlich eine Formel für den maximalen Arbeitszyklus ist:

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

Diese Formel sagt uns, dass wir nie mehr als ~15 % Arbeitszyklus benötigen, um aus 24 V 3,3 V zu erzeugen. Unter bestimmten Betriebsbedingungen benötigen wir jedoch weniger als ~15 % Arbeitszyklus, zum Beispiel, wenn ich die Eingabe beibehalte Wenn ich die Spannung gleich mache und den Laststrom von 70 mA auf 5 mA verringere, benötige ich ein Tastverhältnis von ca. 9 %, um einen 3,3-V-Ausgang zu erzeugen.

Unser Konstruktionsziel war ein Induktorwelligkeitsstrom von 30 %, was bedeutet, dass der maximale und minimale Induktorstrom 80,5 mA und 59,5 mA betragen sollte:

\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{array}

Wie Sie dem Cursor-Informationsfeld (Abbildung 3) entnehmen können, sind wir ziemlich nah dran:

Obwohl wir 30 % Welligkeitsstrom als Ziel verwendet haben, liegt ein allgemeinerer Richtwert irgendwo zwischen 20 % und 40 %. Auf dieser Grundlage liegen wir deutlich im akzeptablen Bereich – wir haben einen angemessenen Induktivitätswert und, falls dies als notwendig erachtet werden sollte, einen guten Ausgangspunkt für die Optimierung.

Ich möchte auch die Form der aktuellen Wellenform kommentieren. Es handelt sich um eine Art schiefe Dreieckswelle, typisch für das, was Sie sehen, wenn Sie nach Bildern des Induktorstroms eines Schaltreglers suchen. Wenn wir die Wellenform der Schaltersteuerung überlagern (Abbildung 4), sehen wir sofort, was diese Charakteristik verursacht:

Wie die rote Kurve zeigt, beträgt unser Arbeitszyklus deutlich weniger als 50 %; die Einschaltzeit ist daher deutlich kürzer als die Ausschaltzeit. Der Induktorstrom legt jedoch in beiden Abschnitten des Zyklus die gleiche vertikale Distanz zurück, sodass Arbeitszyklen über oder unter 50 % zu einer einseitigen Wellenform führen.

Wir haben eine Grundformel verwendet, um einen vernünftigen Induktivitätswert zu ermitteln, aber wohin gehen wir von hier aus? Wenn wir mit der Leistung von 90 μH zufrieden sind, können wir sie als gut bezeichnen und mit der nächsten Designaufgabe fortfahren. Oft gibt es jedoch Raum für Verbesserungen.

Ein Vorteil eines höheren Induktivitätswerts ist die geringere Ausgangswelligkeit: Die Stromwelligkeit des Induktors ist umgekehrt proportional zur Induktivität, und eine größere Welligkeit des Induktors führt zu einer höheren Ausgangswelligkeit, wenn sonst nichts an der Schaltung geändert wird.

Die folgenden Diagramme (Abbildung 5 und Abbildung 6) zeigen ΔIL und ΔVOUT für die ursprüngliche Schaltung (L = 90 μH) und eine modifizierte Schaltung mit L = 30 μH; Um einen direkten visuellen Vergleich zu ermöglichen, ist die Konfiguration für beide Achsen gleich.

Selbst wenn Sie sich keine besonderen Sorgen über die VOUT-Welligkeit machen, kann eine hohe Stromwelligkeit der Induktivität dennoch nachteilig sein. Es kann dazu führen:

Wir haben DCM noch nicht besprochen. Kurz gesagt tritt DCM auf, wenn leichte Lastbedingungen dazu führen, dass der Induktorstrom während eines Teils des Schaltzyklus Null erreicht. Inwieweit DCM unerwünscht ist oder ob es überhaupt unerwünscht ist, hängt von der Anwendung und anderen Aspekten des Wandlerdesigns ab.

Warum sollten wir uns vor diesem Hintergrund für einen niedrigeren Induktivitätswert entscheiden?

Erstens gibt es den nichtelektrischen Vorteil, den wir von Induktivitäten oder Kondensatoren mit geringerem Wert erwarten: kleinere, kostengünstigere Komponenten. Darüber hinaus verbessert eine geringere Induktivität (wie bei einer geringeren Kapazität) das Einschwingverhalten, was bedeutet, dass sich der Wandler schneller an Schwankungen der Eingangsspannung und des Laststroms anpassen kann.

Zum Thema Induktivitätsauswahl für Schaltregler könnten wir möglicherweise noch viel mehr sagen, aber ich denke, wir haben die wichtigsten Prinzipien abgedeckt: wie man Induktivitätsstromwerte liest und analysiert und welche Vorteile höhere oder niedrigere Induktivitätswerte haben der in unserer ursprünglichen Formel. Im nächsten Artikel befassen wir uns mit der Auswahl von Kondensatoren.