De juiste Surface-Mount Spoel kiezen voor uw DC-DC Omzetter

Het begrijpen van de fundamenteelen van schakelmodus stroomomzetting is essentieel voor het selecteren van de meest geschikte spoel voor elke DC-DC toepassing. Deze gids, geschreven door Mitchell Rhine, Director of Engineering bij Signal Transformer, legt de kernconcepten en praktische stappen uit.

Lineaire spanningsregelaars dissiperen vermogen als warmte: de spanningval over de pass-transistor vermenigvuldigd met de belastingstroom is gelijk aan verspild vermogen. In tegenstelling, werkt een schakelmodus DC-DC omzetter door de stroomtransistor snel aan en uit te zetten met een duty cycle die, na filtering, de gewenste uitgangsspanning levert. Wanneer de transistor aan is, is de spanningval verwaarloosbaar; wanneer hij uit is, vloeit geen stroom. Dit schakelgedrag kan vermogensdissipatie dicht bij nul brengen, wat efficiëntie tot 95% mogelijk maakt – ver hoger dan de ongeveer 50% typisch voor lineaire regulatoren. Bovendien stelt de topologie van schakelmodus omzetters ze in staat te functioneren als buck (step-down), boost (step-up), of buck-boost (inverterende) circuits.

Voor duidelijkheid richten we ons op de meest gebruikte configuratie: een vaste-frequentie buck converter in continu-modus operatie.

Fig. 1: Een eenvoudige schakelende DC-DC omzetter.

Een basis buck converter omvat een schakelaar, een spoel, een condensator en een diode (zie Fig. 1). Aannemende een ideale schakelaar en diode (V_sw = 0 en V_d = 0) vereenvoudigt de analyse, maar echte ontwerpen moeten rekening houden met niet-nul spanningval.

Tijdens de AAN periode is de diode omgekeerd gepolariseerd en loopt de stroom lineair op van de ingang naar de uitgang door de spoel. Wanneer de schakelaar UIT gaat, dwingt de opgeslagen energie in de spoel de stroom door te lopen; de diode wordt voorwaarts gepolariseerd, waardoor de stroom terug naar nul daalt voor de volgende AAN cyclus. Deze rampactie slaat energie op in de magnetische kern tijdens de AAN-fase en geeft het vrij tijdens de UIT-fase.

Fig. 2: De spoelstroomgolf in een buck converter.

De stroomgolf bestaat uit een DC-component gelijk aan de belastingstroom (I_load) en een AC-component die periodiek op en neer loopt. In steady-state is de stroom aan het einde van een schakelcyclus gelijk aan de stroom aan het begin.

Uit de duty-cycle controle is de uitgangsspanning gegeven door

V_out = D · V_in (Vergelijking 1)

waarbij D = t_on / (t_on + t_off) en de schakelfrequentie f_sw = 1 / (t_on + t_off), met t_on = D / f_sw.

Het toevoegen van de spanningval over de componenten tijdens de AAN-periode (en aannemende V_sw = 0) levert

V_in – V_ind – V_out = 0 (Vergelijking 2)

Substituerend V_ind = L · di/dt, waar di ≈ I_ramp en dt = t_on, verkrijgen we

L · I_ramp = (V_in – V_out) · t_on (Vergelijking 3)

Vergelijking 3 toont aan dat voor een vast ingang-uitgang spanningsverschil, het product van inductie en stroomramp constant is. Het verhogen van L verlaagt I_ramp, terwijl een kleinere I_ramp de stroomgolf vergroot. Als L te klein gekozen wordt, kan I_ramp groot genoeg worden dat de spoelstroom voor een deel van de cyclus naar nul valt – wat leidt tot discontinuous-modus operatie.

Grote I_ramp verhoogt niet alleen de uitgangsspanningsgolf, maar verhoogt ook AC kernverliezen. Als vuistregel moet I_ramp een kleine fractie blijven van de maximale belastingstroom om golf en verliezen acceptabel te houden.

De maximale piekstroom die de spoel in steady-state operatie moet weerstaan is

I_max = I_{load, max} + I_ramp/2 (Vergelijking 4)

Terwijl I_ramp onafhankelijk is van I_load, hangt het af van de invoerspanning. Overwegend de UIT-periode, met V_d = 0, hebben we

V_ind – V_out = 0 (Vergelijking 5)

Gebruikmakend van V_ind = L · di/dt met dt = t_off levert

I_ramp = V_out · t_off / L (Vergelijking 6)

Omdat V_out constant is, bereikt I_ramp zijn maximum wanneer t_off (en dus V_in) op zijn hoogst is. Dit bepaalt de worst-case I_max via Vergelijking 4.

Met de inductie- en piekstroomvereisten vastgelegd, is de volgende stap het selecteren van een spoel die voldoet aan de elektrische en mechanische beperkingen van het bord. Afgeschermde of lage-EMI spoelen zijn ideaal voor dichte, hoogpresterende ontwerpen – zoals die in IoT-apparaten – omdat hun magnetische flux beperkt is, wat gestraalde interferentie vermindert.

Bijvoorbeeld, Signal Transformer's SCRH serie biedt magnetisch afgeschermde onderdelen met inducties van 1,0 µH tot 180 µH, verzadigingsstromen van 0,15 A tot 5,0 A, en pakkethoogtes tussen 1,9 mm en 4 mm. Als een grotere inductie nodig is, biedt de SCxxxxC serie waarden van 10 µH tot 1 mH, verzadigingsstromen van 0,045 A tot 8 A, en hoogtes van 2,92 mm tot 7,62 mm. Additionele series zijn beschikbaar voor hoge-stroom toepassingen of voor degenen die ongeschermde spoelen vereisen die efficiëntie en vermogenshantering maximaliseren in een laag-profiel pakket.

Uitgelichte afbeelding bron: Signal Transformer