Cara memilih induktor pemasangan permukaan untuk konverter DC/DC

Memahami dasar-dasar prinsip konverter mode sakelar akan membantu perancang memilih induktor terbaik untuk aplikasi mereka. Oleh Mitchell Rhine, direktur teknik, Signal Transformer.

Regulator tegangan linier tradisional memiliki satu kelemahan utama:Tegangan yang turun melewati transistor yang dilewati dikalikan dengan arus beban sama dengan daya yang terbuang. Opsi yang lebih disukai sering kali adalah konverter DC/DC mode sakelar, di mana transistor daya secara terus-menerus beralih dengan siklus kerja yang, dengan beberapa penyaringan tambahan, memberikan tegangan keluaran yang diperlukan.

Dalam konfigurasi ini, transistor dalam keadaan ON, tidak melibatkan penurunan tegangan, atau OFF tanpa arus yang lewat. Ini berarti bahwa disipasi daya cenderung turun ke nol saat beralih antar status, menghasilkan efisiensi hingga 95%, sementara konverter linier biasanya menghasilkan sekitar 50%. Konverter pengalih memiliki keuntungan besar lainnya karena topologinya berarti bahwa konverter tersebut dapat beroperasi dalam mode step-down (disebut "buck,"), step-up ("boost"), atau invert ("buck-boost").

Pemahaman dasar tentang prinsip konverter mode sakelar sangat membantu dalam memilih induktor yang diperlukan. Artikel ini akan fokus hanya pada beberapa konfigurasi dasar, terutama pada konverter uang frekuensi tetap yang sangat populer yang dioperasikan dalam “mode berkelanjutan”.

Gbr. 1:Konverter DC/DC switching sederhana.

Konverter uang dasar hanya terdiri dari sakelar, induktor, kapasitor, dan dioda (Gbr. 1 ). Dengan asumsi sakelar dan dioda ideal, V_sw =0 dan V_d =0, menyederhanakan penjelasan operasi konverter. Dalam kasus desain dunia nyata, untuk secara akurat menentukan nilai induktansi yang diperlukan L, siklus kerja yang diharapkan D, dan efisiensi operasi, V_sw dan V_d harus dianggap bukan nol, dan pengaruhnya pada rangkaian konverter harus disertakan.

Ketika sakelar ON, dioda mati dan arus ramping mengalir langsung dari input ke output. Ketika sakelar OFF, tegangan melintasi induktor membalikkan polaritas karena induktansinya berusaha menjaga arus tetap mengalir. Ini akan menghidupkan dioda "tangkap", dan ini menyebabkan arus turun sampai sakelar menyala lagi dan siklus berulang. Arus ramping ON meningkatkan magnetisasi inti induktor, menyimpan energi dalam induktor, yang dikembalikan selama siklus OFF saat arus menurun.

Gbr. 2:Bentuk gelombang ramping dari konverter DC/DC switching.

Bentuk gelombang arus yang mengalir melalui induktor dalam kasus konverter buck ditunjukkan pada Gbr. 2 . Ini mencakup komponen DC rata-rata dan komponen AC, yang naik dan turun secara berkala. Arus DC sama dengan arus beban DC I_beban . Dalam kondisi tunak, arus induktor di akhir siklus sama dengan di awal siklus.

Tindakan pengalihan terkontrol menghasilkan

V_keluar =D * V_di (Persamaan 1)

dengan D menjadi duty cycle sebagai D =t_pada /(t_pada + t_mati ).

Frekuensi switching ditentukan oleh f_sw =1/(t_pada + t_mati ), dengan t_pada =D/f_sw .

Menjumlahkan semua penurunan tegangan yang dihasilkan dalam rangkaian selama waktu ON, dan dengan asumsi bahwa V_sw =0, ini menghasilkan

V_di – V_ind – V_keluar =0 (Persamaan 2)

Jika sekarang kita gantikan V_ind =L * di/dt, dengan di menyerupai besarnya arus ramp I_ramp dan tentukan waktu AKTIF t_pada , ini akan membawa kita ke

L * I_jalan =(V_di – V_keluar ) * t_on (Persamaan 3)

Ini memiliki konsekuensi yang signifikan karena sisi kanan Persamaan 3 adalah konstan untuk perbedaan tegangan input-ke-output yang diberikan, menyiratkan hal yang sama untuk frekuensi switching yang dihasilkan dan nilai t_on . Nilai induktansi yang lebih besar L sama dengan komponen arus ramping yang lebih kecil, sedangkan nilai induktansi yang lebih kecil akan menghasilkan ramp arus yang lebih besar. Mengemudi ini secara ekstrim, jika induktansi dipilih menjadi sangat kecil, mungkin ada jalan arus yang begitu besar sehingga pada kondisi arus beban rendah, arus total yang mengalir melalui induktor bisa turun ke nol untuk bagian dari periode switching. . Kondisi ini disebut mode diskontinu.

Ada pertimbangan penting lain yang harus diingat; induktansi yang lebih kecil, yang mungkin menarik dalam beberapa aplikasi, menyebabkan arus ramp induktor yang lebih besar, dan ini menyebabkan riak yang lebih tinggi terjadi pada tegangan keluaran. I_jalan large yang besar juga meningkatkan kerugian inti AC di induktor. Sebagai pedoman umum, saya_jalan harus kecil dibandingkan dengan arus beban maksimum; ini menentukan nilai induktansi L untuk desain sistem yang diberikan.

Sekarang, mari kita beralih ke spesifikasi utama dalam hal memilih nilai induktansi yang tepat. Ini adalah arus puncak maksimum melalui induktor. Dalam operasi kondisi tunak, ini adalah

Saya_maks =Saya_{memuat_maks} + Saya_jalan /2 (Persamaan 4)

Melihat Persamaan 3, terlihat bahwa I_ramp tidak tergantung pada saya_memuat . Untuk menentukan I_maks , pertimbangan yang lebih mendetail diperlukan tentang bagaimana saya_ramp akan bervariasi dengan nilai yang berbeda dari V_di setelah memutuskan nilai induktor L.

Menambahkan semua penurunan tegangan dan dengan V_d =0 selama waktu OFF, ini menghasilkan

V_ind – V_keluar =0 (Persamaan 5)

Mempertimbangkan V_ind =L * di/dt, dengan di adalah besaran ramp I_ramp dan dt menjadi waktu OFF t_off , membawa kita ke

Saya_jalan =V_keluar * t_mati /L (Persamaan 6)

Jika V_keluar konstan, I_ramp maksimum saat t_mati juga sudah maksimal. Ini terjadi ketika V_di maksimal, dan kondisi ini menentukan I_ramp dan arus induktor puncak maksimum (Persamaan 4).

Dengan nilai induktansi yang ditentukan dan arus maksimum yang diketahui, ini akhirnya membawa kita pada pemilihan jenis induktor yang sesuai. Induktor terlindung dan EMI rendah adalah pilihan yang baik untuk papan padat penduduk, seperti halnya dalam desain IoT baru. Keuntungannya adalah fluks magnetnya terkandung di dalam badan induktor, menghasilkan dampak radiasi yang lebih rendah pada jejak dan komponen PCB di sekitarnya.

Sebagai contoh, seri SCRH dari Signal Transformer dari bagian terlindung secara magnetis tersedia dengan nilai induktansi mulai dari 1,0 H hingga 180 H, arus saturasi dari 0,15 A hingga 5,0 A, dan ketinggian dari 1,9 mm hingga 4 mm. Jika nilai induktansi yang lebih besar diperlukan, Seri SCxxxxC menawarkan nilai dari 10 H hingga 1 mH, dengan arus saturasi dari 0,045 A hingga 8 A dan ketinggian dari 2,92 mm hingga 7,62 mm. Seri lain tersedia untuk aplikasi arus tinggi serta induktor tanpa pelindung untuk efisiensi tertinggi dan penanganan daya yang kuat yang mencakup dimensi profil rendah.

sumber gambar unggulan:Transformator Sinyal