¿Los convertidores buck/reguladores de voltaje cambian el amperaje máximo?

Question

Estoy interesado en los convertidores buck cc y en los reguladores de tensión. Quiero saber si el amperaje máximo cambia cuando se ajusta la tensión o si el amperaje se ve afectado en absoluto al cambiar la tensión.

Gracias

Answer 1

Hay varias cosas diferentes que pueden limitar la corriente de salida máxima de un convertidor buck y, por supuesto, la más baja establece el límite general. Diferentes configuraciones o temperaturas ambientales pueden cambiar qué límite gana, por lo que no siempre es fácil trasladar las especificaciones de una configuración a otra.

La potencia de salida no puede ser mayor que la de entrada, y de hecho el 90% o más de la potencia de entrada, dependiendo de la eficiencia. Si la potencia de entrada es limitada, limitará su salida.

El inductor tiene dos límites en su corriente máxima, térmica de $I^2 R$ pérdidas (que dependerán de la temperatura ambiente), y la saturación magnética.

El interruptor de entrada tendrá un límite de corriente máxima. Tendrá un valor nominal térmico, y puede tener un límite superior programado por el controlador para la protección.

Answer 2

Para un buck perfecto operado en modo de conducción continua o CCM (la corriente del inductor nunca vuelve a 0 dentro de un ciclo de conmutación), la tensión de salida se define como $V_{out}=DV_{in}$ . Como puedes ver, la corriente que puedes obtener es independiente del valor de la inductancia $L$ . Sin embargo, la relación perfecta que di se puede actualizar al considerar la pérdida óhmica del inductor $r_L$ La resistencia de corriente continua del inductor, que afecta a la tensión de salida de esta manera: $V_{out}=\frac{R_L}{r_L+R_L}DV_{in}$ donde $R_L$ es la resistencia de la carga. Se puede mejorar esta fórmula añadiendo el MOSFET $r_{DS(on)}$ así como la caída hacia delante del diodo $V_f$ . Lo que quiero decir es que $L$ en teoría no afecta a $V_{out}$ pero se puede ver que una mayor inductancia (más vueltas) conducirá a una mayor $r_L$ y una reducción de $V_{out}$ en operaciones de bucle abierto. En operaciones de bucle cerrado, $D$ aumentará naturalmente para compensar estas pérdidas.

En realidad, se puede ver el buck como un generador de ondas cuadradas de baja impedancia seguido de un paso bajo $LC$ filtro sintonizado en $\omega_0$ . Si la inductancia es pequeña, aumenta la corriente de rizado (y la tensión de rizado) porque la frecuencia de corte es alta. Las corrientes de pico y valle del inductor aumentan, pero no la corriente media. En cambio, si se aumenta $L$ , filtras más y reduces la tensión de salida y el rizado del inductor, pero aumentas las pérdidas óhmicas. La siguiente imagen muestra la corriente de rizado del inductor para 3 valores diferentes de inductancia en un convertidor buck de bucle abierto: el rizado cambia pero el valor medio permanece constante ( $r_L$ es constante aquí). Tenga en cuenta que todavía estamos en CCM.

Ahora bien, si tu buck es accionado por un controlador que tiene un límite de corriente de pico máximo, entonces tienes que mirar más de cerca las formas de onda de funcionamiento. La corriente de salida máxima que obtendrás es la corriente de pico del inductor menos la mitad del rizado: $I_{out}=I_{L,peak}-\frac{\Delta I_L}{2}$ en la que la corriente de rizado del inductor $\Delta I_L$ se define por la diferencia entre los valores de pico y valle del inductor: $\Delta I_L=I_{L,peak}-I_{L,valley}$ (véase la imagen inferior). El valor del valle se alcanza al final de $t_{off}$ y se define por $I_{L,valley}=I_{L,peak}-t_{off}S_{off}$ en la que la pendiente de salida está definida por $S_{off}\approx\frac{V_{out}}{L}$ . Por lo que se ve que con un controlador dado que define una corriente máxima de pico $I_{peak,max}$ no podrá suministrar una corriente de salida continua superior a este valor de pico menos $\frac{\Delta I_L}{2}$ . El "mejor" caso es con una inductancia muy grande que lleva a una ondulación muy pequeña y da $I_{out}\approx I_{peak,max}$ . Sin embargo, nunca se diseña un convertidor buck con una corriente de ondulación del inductor tan baja por muchas razones y una de ellas es la velocidad de reacción: como una inductancia se opone a los cambios de corriente, si su buck presenta un valor de inductancia grande, cualquier demanda de corriente de salida tendrá una respuesta lenta, el tiempo que la corriente en el inductor se acumula ciclo a ciclo. La pendiente ascendente en este tiempo es $S_{on}\approx\frac{V_{in}-V_{out}}{L}$ y será pequeño si $L$ es grande. El segundo argumento es, por supuesto, la eficiencia: como se ha señalado, una gran inductancia implicará un inductor voluminoso con muchas vueltas y, en consecuencia, un gran $r_L$ componente que provoca pérdidas adicionales. Por ello, los diseñadores suelen adoptar un 30-40% de corriente de rizado en $L$ como primer punto de partida. Hay mucho que decir sobre el dólar y una buena fuente podría ser esta libro .