Een spoel voor opbouwmontage kiezen voor een DC/DC-converter

Als u de basisprincipes van het switch-mode-converterprincipe begrijpt, kunnen ontwerpers de beste inductor voor hun toepassing selecteren. Door Mitchell Rhine, technisch directeur, Signal Transformer.

Traditionele lineaire spanningsregelaars hebben één groot nadeel:de spanning die over de doorlaattransistor valt, vermenigvuldigd met de belastingsstroom, is gelijk aan verspild vermogen. De voorkeursoptie is vaak een schakelende DC/DC-converter, waarbij de vermogenstransistoren continu schakelen met een duty-cycle die, met wat extra filtering, de vereiste uitgangsspanning levert.

In deze configuratie is de transistor AAN, zonder spanningsverlies, of UIT zonder stroomdoorlaat. Dit betekent dat de vermogensdissipatie de neiging heeft tot nul te dalen bij het schakelen tussen toestanden, wat een efficiëntie tot 95% oplevert, terwijl lineaire converters doorgaans ongeveer 50% leveren. Schakelconverters hebben nog een ander groot voordeel omdat hun topologie betekent dat ze kunnen werken in step-down (zogenaamde "buck"), step-up ("boost") of invert ("buck-boost").

Een basiskennis van het principe van de switch-mode converter is nuttig bij het selecteren van de benodigde inductor. Dit artikel richt zich op slechts een paar basisconfiguraties, voornamelijk op de zeer populaire buck-converter met vaste frequentie die in "continue modus" wordt gebruikt.

Afb. 1:Een eenvoudig schakelende DC/DC-converter.

Een eenvoudige buck-converter bestaat uit slechts een schakelaar, spoel, condensator en diode (Fig. 1 ). Uitgaande van een ideale schakelaar en diode, V_sw =0 en V_d =0, vereenvoudigt de uitleg van de werking van de converter. In een echte ontwerpcase, om de vereiste inductantiewaarde L, de verwachte inschakelduur D en de bedrijfsefficiëntie nauwkeurig te bepalen, V_sw en V_d moeten als niet-nul worden beschouwd en hun effect op het convertorcircuit moet worden opgenomen.

Wanneer de schakelaar AAN staat, is de diode uit en stroomt er een oplopende stroom rechtstreeks van ingang naar uitgang. Wanneer de schakelaar UIT is, keert de spanning over de inductor de polariteit om vanwege de inductantie die probeert de stroom te laten stromen. Hierdoor wordt de "catch" -diode ingeschakeld en dit zorgt ervoor dat de stroom afneemt totdat de schakelaar weer wordt ingeschakeld en de cyclus wordt herhaald. De oplopende AAN-stroom verhoogt de magnetisatie van de inductorkern, waarbij energie wordt opgeslagen in de inductor, die wordt geretourneerd tijdens de UIT-cyclus als de stroom afneemt.

Afb. 2:De stijgende golfvorm van een schakelende DC/DC-converter.

De golfvorm van de stroom die door de inductor vloeit in het geval van een buck-converter wordt getoond in Fig. 2 . Het bevat een gemiddelde DC-component en een AC-component, die periodiek op en neer gaat. De DC-stroom is gelijk aan de DC-laadstroom I_load . Onder stationaire omstandigheden is de inductorstroom aan het einde van de cyclus gelijk aan die aan het begin van de cyclus.

De gecontroleerde schakelactie resulteert in

V_uit =D * V_in (Vergelijking 1)

waarbij D de inschakelduur is als D =t_aan /(t_op + t_uit ).

De schakelfrequentie wordt bepaald door f_sw =1/(t_aan + t_uit ), met t_aan =D/f_sw .

Optellen van alle spanningsdalingen die tijdens de AAN-tijd in het circuit zijn gegenereerd, en aannemen dat V_sw =0, dit resulteert in

V_in – V_ind – V_uit =0 (vergelijking 2)

Als we nu V_ind . vervangen =L * di/dt, waarbij het lijkt op de grootte van de huidige helling I_ramp en dt de AAN-tijd t_aan , dit brengt ons bij

L * I_helling =(V_in – V_uit ) * t_aan (Vergelijking 3)

Dit heeft een significant gevolg omdat de rechterkant van vergelijking 3 constant is voor een bepaald ingangs-naar-uitgangsspanningsverschil, wat hetzelfde betekent voor de resulterende schakelfrequentie en de waarde van t_on . Een grotere inductantiewaarde L is gelijk aan een kleinere aanloopstroomcomponent, terwijl kleinere inductantiewaarden zullen leiden tot een grotere stroomaanloop. Als u dit tot het uiterste drijft, als de inductantie erg klein wordt gekozen, kan er een stroomhelling zijn die zo groot is dat bij een stroom met lage belasting de totale stroom die door de inductor vloeit gedurende een deel van de schakelperiode tot nul kan dalen . Deze toestand wordt discontinue modus genoemd.

Er is nog een belangrijke overweging die in gedachten moet worden gehouden; een kleinere inductantie, die in sommige toepassingen aantrekkelijk kan zijn, leidt tot een grotere inductorhellingstroom, en dit veroorzaakt een hogere rimpel op de uitgangsspanning. Een grote I_helling verhoogt ook de AC-kernverliezen in de inductor. Als algemene richtlijn geldt:ik_helling moet klein zijn in vergelijking met de maximale belastingsstroom; dit bepaalt de inductantiewaarde L voor een bepaald systeemontwerp.

Laten we nu eens kijken naar een belangrijke specificatie met betrekking tot het kiezen van de juiste inductantiewaarde. Het is de maximale piekstroom door de spoel. In stabiele toestand is het

ik_max =I_{load_max} + I_helling /2 (Vergelijking 4)

Kijkend naar vergelijking 3, is het duidelijk dat I_ramp is onafhankelijk van I_load . I_max . bepalen , is een meer gedetailleerde overweging nodig over hoe ik_helling zal variëren met verschillende waarden van V_in na het bepalen van de waarden van de spoel L.

Alle spanningsdalingen optellen en met V_d =0 tijdens UIT-tijd, dit resulteert in

V_ind – V_uit =0 (vergelijking 5)

Gezien V_ind =L * di/dt, waarbij di de grootte is van de huidige helling I_ramp en dt is de UIT-tijd t_uit , leidt ons naar

I_helling =V_uit * t_uit /L (vergelijking 6)

Als V_uit is constant, I_aanloop is maximaal wanneer t_uit is ook maximaal. Dit gebeurt wanneer V_in is maximaal, en deze voorwaarde bepaalt I_helling en de maximale piekinductorstroom (vergelijking 4).

Met de inductantiewaarde bepaald en de maximale stroom bekend, leidt dit ons uiteindelijk tot de selectie van het juiste inductortype. Afgeschermde en low-EMI-inductoren zijn goede keuzes voor dichtbevolkte borden, zoals het geval is in nieuwe IoT-ontwerpen. Hun voordeel is dat hun magnetische flux zich in het inductorlichaam bevindt, wat resulteert in een lagere stralingsimpact op omliggende PCB-sporen en componenten.

De SCRH-serie magnetisch afgeschermde onderdelen van Signal Transformer is bijvoorbeeld verkrijgbaar met inductantiewaarden van 1,0 µH tot 180 µH, verzadigingsstromen van 0,15 A tot 5,0 A en hoogten van 1,9 mm tot 4 mm. Als een grotere inductantiewaarde vereist is, biedt de SCxxxxC-serie waarden van 10 µH tot 1 mH, met verzadigingsstromen van 0,045 A tot 8 A en hoogten van 2,92 mm tot 7,62 mm. Andere series zijn beschikbaar voor toepassingen met hoge stroomsterkte, evenals niet-afgeschermde inductoren voor de hoogste efficiëntie en robuust vermogen, inclusief onopvallende afmetingen.

Uitgelichte afbeeldingsbron:Signaaltransformator