Como escolher um indutor de montagem em superfície para um conversor DC / DC

Compreender os fundamentos do princípio do conversor de modo de comutação ajudará os projetistas a selecionar o melhor indutor para sua aplicação. Por Mitchell Rhine, diretor de engenharia da Signal Transformer.

Os reguladores de tensão linear tradicionais têm uma grande desvantagem:a queda de tensão no transistor de passagem multiplicada pela corrente de carga é igual à energia desperdiçada. A opção preferida é muitas vezes um conversor DC / DC comutado, em que os transistores de potência estão continuamente comutando com um ciclo de trabalho que, com alguma filtragem adicional, fornece a tensão de saída necessária.

Nessa configuração, o transistor está LIGADO, sem queda de tensão, ou DESLIGADO, sem passagem de corrente. Isso significa que a dissipação de potência tende a cair a zero ao alternar entre os estados, gerando uma eficiência de até 95%, enquanto os conversores lineares normalmente fornecem cerca de 50%. Os conversores de comutação têm outra grande vantagem, pois sua topologia significa que eles podem operar nos modos abaixador (denominado "buck"), step-up ("boost") ou invertido ("buck-boost").

Uma compreensão básica do princípio do conversor de modo de comutação é útil na seleção do indutor necessário. Este artigo se concentrará em apenas algumas configurações básicas, principalmente no muito popular conversor buck de frequência fixa operado em "modo contínuo".

Fig. 1:Um conversor DC / DC de comutação simples.

Um conversor buck básico consiste em apenas uma chave, indutor, capacitor e diodo ( Fig. 1 ) Assumindo um interruptor e diodo ideais, V _sw =0 e V _d =0, simplifica a explicação da operação do conversor. Em um caso de projeto do mundo real, para determinar com precisão o valor de indutância L necessário, o ciclo de trabalho esperado D e a eficiência operacional, V _sw e V _d devem ser considerados diferentes de zero e seu efeito no circuito conversor deve ser incluído.

Quando a chave está LIGADA, o diodo está desligado e uma corrente crescente flui diretamente da entrada para a saída. Quando a chave está desligada, a tensão através do indutor inverte a polaridade devido à sua indutância, tentando manter o fluxo de corrente. Isso ligará o diodo “catch” e fará com que a corrente diminua até que a chave ligue novamente e o ciclo se repita. A corrente LIGADA em rampa aumenta a magnetização do núcleo do indutor, armazenando energia no indutor, que é retornada durante o ciclo DESLIGADO conforme a corrente desacelera.

Fig. 2:A forma de onda em rampa de um conversor CC / CC de comutação.

A forma de onda da corrente fluindo através do indutor, no caso de um conversor Buck, é mostrada na Fig. 2 . Inclui um componente DC médio e um componente AC, que aumenta e diminui periodicamente. A corrente DC é igual à corrente de carga DC I _load . Em condições de regime permanente, a corrente do indutor no final do ciclo é igual à do início do ciclo.

A ação de comutação controlada resulta em

V _out =D * V _em (Equação 1)

com D sendo o ciclo de trabalho como D =t _em / (t _em + t _desligado )

A frequência de comutação é determinada por f _sw =1 / (t _em + t _desligado ), com t _em =D / f _sw .

Somando todas as quedas de tensão geradas no circuito durante o tempo ON, e assumindo que V _sw =0, isso resulta em

V _em - V _ind - V _out =0 (Equação 2)

Se agora substituirmos V _ind =L * di / dt, com di se assemelhando à magnitude da atual rampa I _rampa e dt o tempo ON t _on , isso nos levará a

L * I _rampa =(V _em - V _out ) * t _em (Equação 3)

Isso tem uma consequência significativa porque o lado direito da Equação 3 é constante para uma dada diferença de tensão de entrada para saída, implicando o mesmo para a frequência de chaveamento resultante e o valor de t _on . Um valor de indutância L maior é igual a um componente de corrente de rampa menor, enquanto valores de indutância menores levarão a uma rampa de corrente maior. Levando isso ao extremo, se a indutância for escolhida para ser muito pequena, pode haver uma rampa de corrente tão grande que em uma condição de corrente de baixa carga, a corrente total que flui através do indutor pode cair para zero por parte do período de comutação . Essa condição é chamada de modo descontínuo.

Há outra consideração importante que deve ser mantida em mente; uma indutância menor, que pode ser atraente em algumas aplicações, leva a uma corrente de rampa do indutor maior, e isso faz com que uma ondulação maior ocorra na tensão de saída. Uma grande I _rampa também aumenta as perdas do núcleo CA no indutor. Como orientação geral, eu _rampa deve ser pequeno em comparação com a corrente de carga máxima; isso determina o valor de indutância L para um determinado projeto de sistema.

Agora, vamos voltar para uma especificação principal em relação à escolha do valor de indutância adequado. É a corrente de pico máxima através do indutor. Em operação em estado estacionário, é

I _max =I _{load_max} + I _rampa / 2 (Equação 4)

Olhando para a Equação 3, é aparente que eu _rampa é independente de eu _carregar . Para determinar I _max , uma consideração mais detalhada é necessária sobre como eu _rampa irá variar com diferentes valores de V _em depois de decidir sobre os valores do indutor L.

Somando todas as quedas de tensão e com V _d =0 durante o tempo OFF, isso resulta em

V _ind - V _out =0 (Equação 5)

Considerando V _ind =L * di / dt, com di sendo a magnitude da atual rampa I _rampa e dt sendo o tempo OFF t _off , nos leva a

Eu _rampa =V _out * t _desligado / L (Equação 6)

Se V _fora é constante, eu _rampa está no máximo quando t _desligado também está no máximo. Isso ocorre quando V _em está no máximo, e esta condição determina eu _rampa e a corrente máxima do indutor de pico (Equação 4).

Com o valor da indutância determinado e a corrente máxima conhecida, isso finalmente nos leva à seleção do tipo de indutor apropriado. Indutores blindados e de baixo EMI são boas escolhas para placas densamente povoadas, como é o caso em novos designs de IoT. Sua vantagem é que seu fluxo magnético está contido dentro do corpo do indutor, resultando em um impacto de radiação menor nos traços e componentes de PCB circundantes.

Como exemplo, a série SCRH do Transformador de Sinal de peças blindadas magneticamente estão disponíveis com valores de indutância que variam de 1,0 µH a 180 µH, correntes de saturação de 0,15 A a 5,0 A e alturas de 1,9 mm a 4 mm. Se um valor de indutância maior for necessário, a Série SCxxxxC oferece valores de 10 µH a 1 mH, com correntes de saturação de 0,045 A a 8 A e alturas de 2,92 mm a 7,62 mm. Outras séries estão disponíveis para aplicações de alta corrente, bem como indutores não blindados para maior eficiência e manuseio de energia robusto que incluem dimensões de baixo perfil.

fonte da imagem em destaque:Transformador de sinal