Memilih Induktor Surface-Mount yang Tepat untuk Konverter DC-DC Anda
Memahami dasar-dasar konversi daya switch-mode esensial untuk memilih induktor yang paling cocok untuk setiap aplikasi DC-DC. Panduan ini, yang ditulis oleh Mitchell Rhine, Direktur Rekayasa di Signal Transformer, menjelaskan konsep kunci dan langkah praktis.
Regulator tegangan linier mendissipasi daya sebagai panas: tegangan yang jatuh di lampu pasar dikalikan arus beban sama dengan daya yang terbuang. Sebaliknya, konverter DC-DC switch-mode bekerja dengan mengaktifkan dan mematikan transistor daya dengan cepat dengan siklus kerja yang, setelah difilter, menghasilkan tegangan output yang diinginkan. Saat transistor nyala, penurunan tegangan tidak signifikan; saat mati, tidak ada arus yang mengalir. Perilaku switching ini dapat mengurangi dissipasi daya mendekati nol, memungkinkan efisiensi hingga 95 %—sangat lebih tinggi dari sekitar 50 % yang typikal dari regulator linier. Selain itu, topologi konverter switch-mode memungkinkan mereka berfungsi sebagai rangkaian buck (step-down), boost (step-up), atau buck-boost (mengubah arah).
Untuk keterangannya, kita fokus pada konfigurasi yang paling banyak digunakan: konverter buck frekuensi tetap yang beroperasi dalam mode berkelanjutan.
Gambar 1: Konverter DC-DC switching sederhana.
Konverter buck dasar terdiri dari switch, induktor, kapasitor, dan dioda (lihat Gambar 1). Dengan asumsi switch dan dioda ideal (V_sw = 0 dan V_d = 0) menyederhanakan analisis, tetapi desain nyata harus mempertahankan penurunan tegangan non-nol.
Selama periode ON, dioda terbalik-bias dan arus meningkat linier dari input ke output melalui induktor. Saat switch mati, energi yang tersimpan induktor memaksa arus untuk terus mengalir; dioda menjadi forward-bias, memungkinkan arus untuk menurun ke nol sebelum siklus ON berikutnya. Aksi meningkat ini menyimpan energi di inti magnetik selama fase ON dan melepaskannya selama fase OFF.
Gambar 2: Gelombang arus induktor dalam konverter buck.
Gelombang arus terdiri dari komponen DC yang sama dengan arus beban (I_load) dan komponen AC yang meningkat dan menurun secara periodik. Dalam keadaan stabil, arus di akhir siklus switching sama dengan arus di awal.
Dari kontrol siklus kerja, tegangan output diberikan oleh
V_out = D · V_in (Persamaan 1)
di mana D = t_on / (t_on + t_off) dan frekuensi switching adalah f_sw = 1 / (t_on + t_off), dengan t_on = D / f_sw.
Menambahkan penurunan tegangan di seluruh komponen selama periode ON (dan asumsi V_sw = 0) menghasilkan
V_in – V_ind – V_out = 0 (Persamaan 2)
Mengganti V_ind = L · di/dt, di mana di ≈ I_ramp dan dt = t_on, kita peroleh
L · I_ramp = (V_in – V_out) · t_on (Persamaan 3)
Persamaan 3 menunjukkan bahwa untuk selisih tegangan input-output yang tetap, hasil kali induktansi dan current ramp konstan. Meningkatkan L mengurangi I_ramp, sementara L yang lebih kecil memperbesar ripple arus. Jika L terlalu kecil, I_ramp dapat menjadi cukup besar sehingga arus induktor turun ke nol untuk sebagian siklus—memasuki operasi mode tidak berkelanjutan.
I_ramp yang besar tidak hanya meningkatkan ripple tegangan output tetapi juga meningkatkan kehilangan inti AC. Sebuah aturan praktis, I_ramp harus tetap sebagai fraksi kecil dari arus beban maksimum untuk menjaga kehilangan dan ripple yang dapat diterima.
Arus puncak maksimum yang harus ditahan induktor dalam operasi keadaan stabil adalah
I_max = I_load, max + I_ramp/2 (Persamaan 4)
Sementara I_ramp independen dari I_load, ia bergantung pada tegangan input. Mempertimbangkan periode OFF, dengan V_d = 0, kita memiliki
V_ind – V_out = 0 (Persamaan 5)
Menggunakan V_ind = L · di/dt dengan dt = t_off menghasilkan
I_ramp = V_out · t_off / L (Persamaan 6)
Karena V_out konstan, I_ramp mencapai maksimumnya ketika t_off (dan oleh karena itu V_in) di titik tertinggi. Ini menentukan I_max terburuk melalui Persamaan 4.
Dengan persyaratan induktansi dan arus puncak yang ditetapkan, langkah berikutnya adalah memilih induktor yang memenuhi keterbatasan listrik dan mekanis papan. Induktor shielded atau low-EMI ideal untuk desain padat, performa tinggi—seperti yang ditemukan dalam perangkat IoT—karena fluks magnetik mereka tertutup, mengurangi interferensi radiasi.
Misalnya, seri SCRH milik Signal Transformer menawarkan bagian yang dilindungi magnetis dengan induktansi dari 1,0 µH hingga 180 µH, arus saturasi dari 0,15 A hingga 5,0 A, dan tinggi paket antara 1,9 mm dan 4 mm. Jika induktansi yang lebih besar diperlukan, seri SCxxxxC menyediakan nilai dari 10 µH hingga 1 mH, arus saturasi dari 0,045 A hingga 8 A, dan tinggi dari 2,92 mm hingga 7,62 mm. Seri tambahan tersedia untuk aplikasi arus besar atau untuk yang memerlukan induktor tidak dilindungi yang memaksimalkan efisiensi dan penanganan daya dalam paket profil rendah.
