Escolhendo o Indutor Surface-Mount Certo para seu Conversor DC-DC

Visão Geral

Entender os fundamentos da conversão de potência em modo chaveado é essencial para selecionar o indutor mais adequado para qualquer aplicação DC-DC. Este guia, escrito por Mitchell Rhine, Diretor de Engenharia da Signal Transformer, explica os conceitos-chave e passos práticos.

Fundamentos

Reguladores lineares de tensão dissipam potência como calor: a tensão caída no transistor de passagem multiplicada pela corrente de carga iguala potência desperdiçada. Em contraste, um conversor DC-DC em modo chaveado opera ligando e desligando rapidamente o transistor de potência com um ciclo de trabalho que, após filtragem, entrega a tensão de saída desejada. Quando o transistor está ligado, a queda de tensão é insignificante; quando desligado, nenhuma corrente flui. Este comportamento de chaveamento pode reduzir dissipação de potência próximo a zero, permitindo eficiências de até 95% — muito superior aos ~50% típicos de reguladores lineares. Adicionalmente, a topologia de conversores em modo chaveado permite que funcionem como circuitos buck (step-down), boost (step-up) ou buck-boost (inversores).

Para clareza, focamos na configuração mais amplamente usada: um conversor buck de frequência fixa operando em modo contínuo.

Fig. 1: Um conversor DC-DC chaveado simples.

Análise do Conversor Buck

Um conversor buck básico compreende um interruptor, um indutor, um capacitor e um diodo (ver Fig. 1). Assumindo interruptor e diodo ideais (V_sw = 0 e V_d = 0) simplifica a análise, mas designs reais devem contabilizar quedas de tensão não-nulas.

Durante o período ON, o diodo é polarizado reversamente e a corrente rampa linearmente da entrada para a saída através do indutor. Quando o interruptor desliga, a energia armazenada no indutor força a corrente a continuar fluindo; o diodo torna-se polarizado diretamente, permitindo que a corrente decaia de volta a zero antes do próximo ciclo ON. Esta ação de rampa armazena energia no núcleo magnético durante a fase ON e a libera durante a fase OFF.

Fig. 2: A forma de onda da corrente do indutor em um conversor buck.

A forma de onda da corrente consiste em um componente DC igual à corrente de carga (I_load) e um componente AC que rampa para cima e para baixo periodicamente. Em estado estacionário, a corrente no final de um ciclo de chaveamento iguala a corrente no início.

Do controle de ciclo de trabalho, a tensão de saída é dada por

V_out = D · V_in (Equação 1)

onde D = t_on / (t_on + t_off) e a frequência de chaveamento é f_sw = 1 / (t_on + t_off), com t_on = D / f_sw.

Adicionando as quedas de tensão nos componentes durante o período ON (e assumindo V_sw = 0) resulta em

V_in – V_ind – V_out = 0 (Equação 2)

Substituindo V_ind = L · di/dt, onde di ≈ I_ramp e dt = t_on, obtemos

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

A Equação 3 mostra que para uma diferença fixa de tensão entrada-saída, o produto de indutância e rampa de corrente é constante. Aumentar L reduz I_ramp, enquanto um L menor aumenta o ripple de corrente. Se L for escolhido muito pequeno, I_ramp pode tornar-se grande o suficiente para que a corrente do indutor caia a zero durante parte do ciclo — entrando em operação modo descontínuo.

Grande I_ramp não apenas aumenta ripple de tensão de saída mas também eleva perdas de núcleo AC. Como regra prática, I_ramp deve permanecer uma pequena fração da corrente de carga máxima para manter ripple e perdas aceitáveis.

A corrente de pico máxima que o indutor deve suportar em operação de estado estacionário é

I_max = I_load,max + I_ramp/2 (Equação 4)

Enquanto I_ramp é independente de I_load, depende da tensão de entrada. Considerando o período OFF, com V_d = 0, temos

V_ind – V_out = 0 (Equação 5)

Usando V_ind = L · di/dt com dt = t_off resulta em

I_ramp = V_out · t_off / L (Equação 6)

Como V_out é constante, I_ramp atinge seu máximo quando t_off (e portanto V_in) está no seu mais alto. Isso determina o pior caso I_max via Equação 4.

Seleção do Indutor

Com os requisitos de indutância e corrente de pico estabelecidos, o próximo passo é selecionar um indutor que atenda às restrições elétricas e mecânicas da placa. Indutores blindados ou de baixa EMI são ideais para designs densos e de alto desempenho — como os encontrados em dispositivos IoT — porque seu fluxo magnético é confinado, reduzindo interferência radiada.

Por exemplo, a série SCRH da Signal Transformer oferece partes magneticamente blindadas com indutâncias de 1,0 µH a 180 µH, correntes de saturação de 0,15 A a 5,0 A, e alturas de encapsulamento entre 1,9 mm e 4 mm. Se indutância maior for necessária, a série SCxxxxC fornece valores de 10 µH a 1 mH, correntes de saturação de 0,045 A a 8 A, e alturas de 2,92 mm a 7,62 mm. Séries adicionais estão disponíveis para aplicações de alta corrente ou para aqueles que requerem indutores não-blindados que maximizam eficiência e manuseio de potência em encapsulamento de baixo perfil.