¿Cómo puedo seleccionar el valor correcto del inductor para el siguiente regulador buck?

Question

En primer lugar, soy un poco malo en matemáticas, y no soy un genio de la electrónica, así que las cosas que hago son para divertirme y aprender...

Estoy trabajando en un circuito convertidor buck para convertir mi USB Vbus 5V a 3.3V. He seleccionado el AP5100 y me resulta bastante difícil averiguar los valores correctos de algunos de los componentes.

El datasheet especifica ordenadamente los valores de R1(49,9kΩ) y R2(16,2kΩ) en la tabla 1 de la página 6, para establecer una tensión de salida de 3,3V, pero me está resultando un poco chocante entender cómo calcular el valor de la inductancia para el inductor L1. La hoja de datos indica 3,3µH en la página 2, figura 3:

Quiero entender mejor cómo se ha calculado el valor de 3,3µH y si éste es el valor correcto para mi aplicación.

Volviendo a la hoja de datos, la fórmula para calcular L es la siguiente

$$ L = \frac{Vout \times (Vin - Vout)}{Vin \times \Delta IL \times fSW} $$

Donde ΔIL es la corriente de rizado del inductor, y fSW es la frecuencia de conmutación del convertidor buck.

La hoja de datos dice:

Elija la corriente de ondulación del inductor para que sea el 30% de la corriente de carga máxima. La corriente de pico máxima del inductor se calcula a partir de:

$$ IL(MAX) = ILOAD + \frac{\Delta IL}{2} $$

Muy bien, aquí es donde estoy horriblemente perdido, e intentando lo mejor que puedo para envolver mi pequeño cerebro alrededor del valor.

Sé lo siguiente:

• Vin = 5V (Vbus USB)
• Vout = 3,3V
• fSW = 1,4MHz
• I = 2,4A (creo)

Cómo se determina la ΔIL (corriente de rizado) para llegar al valor del inductor?

Mi fórmula debería ser algo así al final, ¿no?

$$ L = \frac{3.3V \times (5V - 3.3V)}{5V \times \Delta IL \times 1.4MHz} $$

Pero, ¿qué es ΔIL?

También pensé que el convertidor buck se supone que permite un rango de entradas para Vin, en el caso de este, 4,75V a 24V?

Aquí está mi esquema que estoy dibujando en Eagle CAD:

Answer 1

La elección del valor del inductor para un regulador buck viene directamente de V = \$\frac{\text{L di} }{\text{dt}}\$ . Donde V es la tensión a través del inductor, e i es la corriente que lo atraviesa. En primer lugar, se quiere diseñar para el caso en que el inductor esté en modo de conducción continua (CCM). Esto significa que la energía en el inductor no se agota durante el ciclo de conmutación. Por lo tanto, hay dos estados, uno en el que el interruptor está encendido y otro en el que el interruptor está apagado (y el rectificador está encendido). El voltaje a través del inductor durante cada estado es esencialmente una constante (aunque es un valor diferente para cada estado). De todos modos, como el voltaje es una constante, la ecuación del inductor puede ser linealizada (y reordenada para dar L).

• L = \$\frac{V \text{$ \N - Delta $t}}{\text{$ \N - Delta $I}}\$ esta es la base de la ecuación que viste en la nota de la aplicación.

• \$\text {$ \N - Delta $I}\$ es algo que se define, no se determina.

Querrá mantener el funcionamiento de CCM, así que defina \$\text {$ \N - Delta $I}\$ como una pequeña fracción de la corriente del inductor (I). Una buena elección es el 10% de I. Así, para su caso \$\text {$ \N - Delta $I}\$ sería de 0,24 A. Esto también definirá la corriente de rizado en los condensadores de salida, y menos corriente de rizado significa menos tensión de rizado en la salida.

Ahora puede elegir un valor óptimo de L utilizando \$V_{\text{in}}\$ y \$V_o\$ (y por tanto el ciclo de trabajo D = \$\frac {V_o} {V_ {\text {in}}}\$ ). Pero también se puede hacer una sobreestimación rápida de la inductancia donde no se considera \$V_{\text{in}}\$ usando L ~ \$\frac{10 V_o}{I_o F_{\text{sw}}}\$ (para más información sobre este look aquí ¿Cómo elegir un inductor para un circuito regulador buck? ). Una sobreestimación puede valer la pena, sobre todo si estás en las primeras fases de desarrollo o no estás seguro de cuánto será la corriente de salida (la corriente de salida suele acabar siendo más alta de lo esperado).

Ya que estás mirando a Linear Tech, deberías (como ha señalado Anindo Ghosh) también mirar de utilizar su soporte CAD.

Answer 2

Para el diseño de un circuito de regulación buck, puede ser mejor empezar con uno de los diversos herramientas de diseño de energía en línea en los sitios web de los fabricantes, como:

• Fairchild Semiconductor: Fuente de alimentación WebDesigner
• Tecnología lineal: LTPowerCAD
• Texas Instruments: WeBench Power Designer y Herramienta de diseño SwitcherPro

Al proporcionar sus requisitos (incluida la ondulación aceptable, por ejemplo) como parámetros, la herramienta suele preseleccionar un conjunto de controladores que cumplen el objetivo. Este enfoque suele ser más seguro que empezar con un controlador ya decidido y luego intentar desviarse de los valores especificados en la hoja de datos para los componentes de apoyo.

Muchas de las herramientas gratuitas de "diseño de energía" mencionadas proporcionan una lista de materiales completa como salida - incluyendo el o los inductores necesarios, normalmente con números de pieza.

Algunas (por ejemplo, TI WeBench) también ofrecen estimaciones del diseño recomendado y del espacio necesario en la placa. Algunas herramientas permiten además el espacio de placa deseado como parámetro de diseño, así como el número de componentes, el coste y otras preferencias.

Answer 3

Puede ayudar a entender lo que sucede si se selecciona un inductor de la equivocado valor.

Si selecciona un inductor con un valor demasiado bajo, la corriente que lo atraviesa cambiará demasiado en cada periodo de conmutación. La corriente puede crecer tanto en un periodo de conmutación que supere la capacidad de corriente del circuito que maneja el inductor. Esta alta corriente de rizado tampoco es agradable para el condensador en el lado de salida. Las pérdidas de ESR en el condensador serán altas, o la corriente de rizado excederá la capacidad del condensador y fallará.

Si seleccionas un inductor con un valor demasiado grande, estarás pagando por un montón de inductor que no necesitas. Los inductores con núcleo tienen una corriente de saturación. Esta es la corriente a la que el núcleo no puede soportar más flujo magnético, y el inductor deja de ser un inductor con núcleo, y empieza a ser casi un cable. Para un núcleo de un tamaño y un material determinados, se puede hacer un inductor con mayor inductancia simplemente poniendo más vueltas de alambre a su alrededor. Pero, cada una de estas vueltas aporta más flujo magnético, por lo que al añadir más vueltas, también está disminuyendo la corriente de saturación del inductor, ya que su corriente se multiplicará por el número de vueltas de alambre para llegar al flujo magnético a través del inductor. Por lo tanto, si quiere una inductancia mayor con la misma corriente de saturación, necesita un núcleo físicamente mayor.

Dejaré la explicación de las matemáticas para otra respuesta. No soy el mejor en esas cosas.

Answer 4

Cómo se determina la ΔIL (corriente de rizado) para llegar al valor del inductor?

Utilice la regla general proporcionada por el fabricante del chip (seleccione un valor igual al 30% de su corriente de salida de CC máxima prevista). Además, hay una nota en la página 8 que dice: "Para la mayoría de las aplicaciones se recomienda un inductor de 1μH a 10μH con un valor nominal de corriente continua al menos un 25% superior a la corriente de carga máxima".

I = 2,4A (creo)

Sin embargo, parece que no estás seguro de cuál es tu corriente de salida de CC máxima prevista.

Echa un vistazo a esta forma de onda tomada descaradamente de la Wikipedia:

La corriente del inductor se muestra en la parte inferior. La magnitud de las rampas está definida por

\$V_L = L \cdot \dfrac{\Delta I}{\Delta t}\$

El inductor se define por el tamaño de las rampas: es decir, eligiendo un valor que sea el 30% de la corriente continua de salida máxima prevista ( \$I_{av}\$ en la forma de onda). Por eso es importante conocer la corriente de salida de CC máxima prevista antes de intentar elegir el inductor.

También hay que tener en cuenta que esta pieza tiene una compensación interna del amplificador de error, lo que pondrá restricciones al filtro LC de salida (no te desvíes de su rango de inductancia a menos que tengas un equipo para medir la respuesta en frecuencia en bucle cerrado del convertidor).