Как рассчитать дроссель для импульсного источника питания

Обновлено: 01.07.2024

В этой статье обсуждаются некоторые детали — КПД, уровень шума и т. д., — влияющие на выбор рабочих частот для импульсных источников питания.

В этой статье обсуждаются некоторые детали — КПД, уровень шума и т. д., — влияющие на выбор рабочих частот для импульсных источников питания.

Переключающие регуляторы, как следует из названия, выполняют преобразование постоянного тока в постоянный, включая и выключая что-либо. В типичной схеме на основе индуктора переключатели управляют током, протекающим через индуктор; в регуляторах на основе зарядового насоса заряд от входного источника «накачивается» через переключатели на конденсатор. Переключение — это периодическая вещь, и, следовательно, регулирование режима переключения всегда зависит от частоты.

Я уверен, вы заметили, что микросхемы импульсных регуляторов бывают самых разных частот. Я бы сказал, что типичный диапазон составляет от 100 кГц до 2 МГц, хотя вы можете найти частоты ниже 100 кГц, а есть части, которые значительно выше (до 3 или 4 МГц). Вы также могли заметить, что многие импульсные ИС позволяют выбирать рабочую частоту (в пределах заданного диапазона) с помощью внешнего резистора. Почему запчасти предлагают такой широкий диапазон частот? И какова правильная частота для данного приложения? Давайте посмотрим.

Влияние частоты переключения

Когда вы начинаете вдаваться в подробности, переключаемые преобразователи постоянного тока в постоянный не совсем просты. На самом деле, они даже не близки к простым, а частота переключения является фундаментальным параметром, который так или иначе влияет практически на каждый аспект функциональности и производительности схемы. Поэтому я сосредоточусь на самых важных и практических соображениях и постараюсь излагать информацию точно, но не вдаваться в сложные детали.

Следующие подразделы написаны с точки зрения переключения на основе индуктора, но это не означает, что никакая информация не применима к регуляторам подкачки заряда.

Шум

Когда я думаю о частоте переключения, первое, что приходит на ум, это шум, как кондуктивный, так и излучаемый. Вы не можете избавиться от шума переключения, повышая или понижая частоту, но вы можете сделать шум менее проблематичным.

Основная идея заключается в том, что ваш видеомикшер будет генерировать шум на частоте коммутации и на гармониках частоты коммутации.

Эта диаграмма любезно предоставлена Analog Devices и взята из статьи об артефактах на выходе импульсного регулятора. Пик, помеченный как «уровень пульсации», соответствует основной частоте. Мы обсудим неравномерность выпуска ближе к концу этой статьи.

Настраивая основную частоту, вы можете «управлять» шумом так, чтобы он не конфликтовал с чувствительными аналоговыми схемами или ограничениями излучения FCC.

Например. Допустим, ваш преобразователь находится в непосредственной близости от АЦП, который производит выборку сигнала основной полосы частот 50 кГц. Если ваш видеомикшер работает на частоте 1 МГц, вы сможете подавить шум, связанный с основной частотой и всеми гармониками, с помощью однополюсного или (лучше) двухполюсного фильтра нижних частот.

Использование более высокой частоты переключения иногда является простым способом борьбы с шумом, потому что вы можете более эффективно решать проблемы, добавляя фильтр нижних частот. Однако вам необходимо убедиться, что вы не распространяете шум в полосы частот с более низкими пределами излучения или которые используются соседними радиочастотными схемами.

Эффективность

Мы не хотим снижать эффективность наших высокоэффективных импульсных регуляторов просто за счет выбора неподходящей частоты переключения. Основная идея здесь заключается в том, что более высокая частота означает более низкую эффективность.

Это имеет смысл, если подумать: импульсное регулирование эффективно, потому что оно использует преимущества низкого рассеивания мощности, связанного с состояниями «полностью включен» и «полностью выключен». Значительное рассеивание мощности происходит только в промежуточной области между включением и выключением, и чем чаще транзистор переключается между включением и выключением, тем больше энергии тратится впустую, а эффективность падает.

На следующем графике показан пример взаимосвязи между частотой переключений и эффективностью.

График взят из технического описания LT8610 от Linear Tech/Analog Devices.

Пространство на доске

Универсальность и высокая эффективность импульсных стабилизаторов делают их привлекательными вариантами для небольших устройств с батарейным питанием. Это означает, что площадь печатной платы иногда является критическим фактором в процессе проектирования.Важным аргументом в пользу более высокой частоты переключения является уменьшение места на плате: вообще говоря, более высокая частота переключения позволяет выходному фильтру преобразователя достигать сопоставимых характеристик при более низких значениях емкости и индуктивности, а более низкие значения емкости и индуктивности соответствуют меньшим конденсаторам и катушкам индуктивности.

Пульсация

Первый подраздел (озаглавленный «Шум») касается помех, которые создаются при переключении преобразователя, а затем связаны или излучаются в другие части системы или в близлежащие электронные устройства. Это отличается от «пульсаций», которые относятся к периодическим колебаниям, непосредственно присутствующим в выходном напряжении преобразователя.

Значение пульсации зависит от приложения. Цифровые схемы обладают высокой устойчивостью к пульсациям питания, но некоторые аналоговые компоненты также обладают высокой устойчивостью, а именно компоненты с хорошим коэффициентом ослабления питания (PSRR) на соответствующей частоте.

Основная взаимосвязь здесь заключается в том, что более высокая частота переключения означает меньшую пульсацию. Следующий график дает вам пример этого эффекта:

Сюжет взят из этого примечания к приложению (стр. 10), опубликованного Texas Instruments. Вы можете видеть, что как теоретические расчеты, так и моделирование SPICE показывают, что более высокая частота переключения приводит к меньшим пульсациям.

Однако нужно быть осторожным, потому что если вы увеличите частоту коммутации, вы можете сдвинуть частоту пульсаций вверх в полосу, в которой ваши аналоговые компоненты имеют более низкий PSRR. На самом деле это вполне вероятно, так как PSRR имеет тенденцию к уменьшению с увеличением частоты. Тем не менее, вам может повезти, и вы получите компонент вроде MAX40018 от Maxim:

График взят из этой таблицы.

Сначала PSRR уменьшается с увеличением частоты, как и ожидалось, но затем увеличивается после 10 кГц. (Хотя мы не знаем, что происходит после 100 кГц.)

Обзор

Частота переключения преобразователя постоянного тока влияет на многие аспекты функциональности схемы. Мне кажется, что самые важные отношения следующие:

При более высокой частоте переключения шум легче контролировать (с помощью фильтрации), но в целом частоту следует регулировать в соответствии с шумовыми характеристиками и требованиями каждой системы.
Чем выше частота, тем ниже эффективность.
При использовании более высоких частот требуется меньше места на плате (поскольку пассивные компоненты могут быть меньше).
Увеличение частоты коммутации приводит к уменьшению амплитуды пульсаций.

Если у вас есть какие-либо мысли или практические советы по выбору частоты переключения для схемы преобразователя постоянного тока в постоянный, сообщите нам об этом в комментариях.

При проектировании понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный важен выбор катушки индуктивности. Выбор индуктора сильно влияет на производительность и характеристики. Процедура выбора катушки индуктивности, метод расчета индуктивности и т.п. в основном указаны в технических описаниях используемой ИС источника питания.

Процедура выбора индуктора

Во-первых, описана процедура выбора катушки индуктивности.

1）Рассчитайте требуемую индуктивность L.

2）Рассчитайте максимальный ток, протекающий в катушке индуктивности (выходной ток + половина пульсаций
тока).

3）Выберите индуктор с расчетным значением L (или значением, близким к нему) и с током насыщения индуктора
как минимум равным расчетному максимальному току.
※В случае короткого замыкания или переходного состояния могут протекать токи, превышающие
расчетный максимальный ток; следовательно, другой метод заключается в выборе катушки индуктивности на основе
максимального тока переключения.

По сути, маржа считается и определяется на основе расчетов. Метод определения маржи зависит от правил проектирования компании и эмпирических правил.

1) Расчет индуктивности
Во-первых, для расчета индуктивности используются следующие уравнения.

2）Расчет максимального тока катушки индуктивности
Далее максимальный ток катушки индуктивности рассчитывается в соответствии со следующим уравнением.

Как видно из уравнений и формы сигнала тока, I_LPEAK равен половине ΔI_L, где I_OUTI Добавлен _OUT.

Из рассчитанной индуктивности и максимального тока катушки индуктивности выбирается катушка индуктивности, имеющая приблизительно расчетную индуктивность и ток насыщения, по крайней мере, равный максимальному току. Ниже описан пример выбора.

Пример выбора катушки индуктивности

Условия: V_IN = 12 В, V_OUT = 3,3 В, I_OUTI_OUT = 2A , r = 0,3, f _КВ = 380 кГц

Исходя из приведенных выше результатов, отправной точкой будет катушка индуктивности 10 мкГн с током насыщения не менее 2,3 А. «Начальная точка» означает, что эти расчеты не являются абсолютными, и могут потребоваться модификации, когда такие вещи, как учитываются короткие замыкания и переходные состояния.

Ток дросселя при изменении индуктивности

Здесь, чтобы углубить наше понимание работы индуктора, мы объясняем изменения тока индуктора при изменении индуктивности. На следующей диаграмме показано I_LPEAK, когда индуктивность установлена на 0,4 мкГн, 1 мкГн и 2,2 мкГн при тех же условиях эксплуатации.

Как видно из уравнения, когда индуктивность L меньше, I_LPEAK увеличивается, и может быть обеспечен больший наложенный постоянный ток. Однако увеличение I_LPEAK требует допуска большего наложенного постоянного тока. Если индуктивность увеличивается, применяется обратное, и возникает необходимость изучения фазовой компенсации.

Ключевые моменты:

・Выбор катушки индуктивности чрезвычайно важен при разработке преобразователя постоянного тока в постоянный.

・Должны быть понятны работа схемы, пути тока и взаимосвязь между катушкой индуктивности и выходным током.

Читайте также: