Perché carichi più piccoli richiedono induttori più grandi nei regolatori buck?

La nota applicativa dell'MC34063 elenca l'equazione per il calcolo della dimensione minima dell'induttore come segue:

Ma ciò implica che quando I _pk (interruttore) (ad esempio, la corrente massima dell'interruttore) diminuisce, aumenta la dimensione minima dell'induttore. Questo è supportato da calcolatori interattivi come questo , che mostrano lo stesso effetto.

Perché è così, e implica che il regolatore funzionerà come previsto solo se funziona a carico di picco, e quindi ho bisogno di aumentare le dimensioni dell'induttore se voglio gestire carichi più piccoli?

Una spiegazione più teorica:

La corrente attraverso l'induttore di un SMPS è come un triangolo. La corrente media di questo triangolo è uguale al tuo carico. Il valore picco-picco è determinato dalle varie tensioni di ingresso e uscita, frequenza di commutazione, duty cycle e induttore.

La prima figura mostra un convertitore buck. Il secondo mostra le forme d'onda del convertitore buck. Mostra l'interruttore S, la tensione attraverso l'induttore e la corrente attraverso l'induttore. Quando l'interruttore è chiuso, la tensione attraverso l'induttore è Vin-Vout. Quando l'interruttore è aperto, la tensione attraverso l'induttore è -Vout. Il diodo è assunto in questo ideale e quindi ha una caduta di tensione pari a zero. Un convertitore buck ha una regola secondo cui Vin> Vout, quindi hai una tensione positiva che "carica" ​​l'induttore e una tensione negativa che "scarica" ​​l'induttore. La velocità di variazione della corrente dipende da questa tensione e induttanza. Se si desidera un output stabile, il upramp dovrebbe essere "alto" come il downramp. Altrimenti si ottiene una media in calo o in aumento. C'è un equilibrio. In matematica, questo si riduce a questo:

Il primo termine della formula descrive la salita, e il secondo termine descrive la salita. Come puoi vedere, la frequenza di commutazione e il duty cycle sono stati semplificati in t_on e t_off. Il duty cycle dipende solo dal rapporto tra la tensione di uscita e la tensione di ingresso. Il ciclo di lavoro non cambia con il variare del carico.

Il livello di upramp e downramp 'speed' cambierà solo se si modificano le tensioni di ingresso / uscita, il valore dell'induttore o la frequenza di commutazione. L'aumento della frequenza di commutazione abbasserà gli alti e bassi, ma non è sempre possibile aumentare la frequenza di commutazione (forse stai già operando al massimo). Le tensioni di ingresso / uscita devono rimanere costanti, questa è l'applicazione di cui ti occupi. Se si aumenta l'induttore, la variazione di corrente attraverso l'induttore diminuirà. Questo è l'unico strumento che hai a disposizione.

Perché questo è un problema? Bene, nelle forme d'onda ho mostrato che il convertitore funziona bene. La corrente minima attraverso l'induttore non raggiunge lo zero. Cosa succede se la corrente media scende così tanto che l'induttore raggiunge lo zero?

Il convertitore dovrebbe ricorrere alla modalità discontinua. Non tutti i convertitori possono farlo. Questo a volte richiede che il convertitore salti i cicli. Se il convertitore apre l'interruttore per un tempo minimo, viene trasferita una certa quantità di energia. Questo è memorizzato nel condensatore, ma non è consumato abbastanza velocemente. Ciò influenzerà la tensione di uscita, rendendo instabile il convertitore. Se salti i cicli, il convertitore attende sostanzialmente che la tensione di uscita scenda abbastanza lontano prima che richieda un altro ciclo.

Un induttore di valore più elevato significherà che la corrente minima si avvicinerà alla tua corrente media, evitando eventualmente un funzionamento discontinuo. Ciò implica anche perché si calcola l'induttore minimo attraverso i fogli dati. È sempre possibile utilizzare un induttore più grande, ma più piccolo può causare problemi con carichi bassi. Tuttavia, se SMPS è progettato anche per fornire elevata potenza in situazioni, l'induttore potrebbe essere troppo voluminoso e costoso.

Un convertitore in grado di passare alla modalità discontinua è praticamente privo di problemi con questo e non è necessario passare attraverso questo. L'MC34063 è un chip piuttosto vecchio e generico, quindi è un po 'più complicato.

Se non riesci a montare un induttore più grande .. aggiungi tu stesso un carico minimo.

Pensa al contrario. Un induttore più grande accumula corrente più lentamente quando viene applicata la stessa tensione. Pertanto, se hai bisogno di molta corrente, devi utilizzare un induttore più piccolo per accumulare corrente più rapidamente o lasciare l'interruttore più a lungo per accumulare più corrente.

Per una corrente di uscita più piccola, non è necessario necessariamente un induttore più grande. Tuttavia, esiste un limite a quanto è ragionevole mantenere l'interruttore acceso, quindi vi è un minimo accumulo di corrente nell'induttore ad ogni ciclo di commutazione. Quella corrente minima provoca un aumento minimo della tensione sull'uscita quando viene scaricata lì. Pertanto, gli alimentatori a commutazione progettati per correnti elevate avranno una tensione di ripple in uscita maggiore rispetto a quelli con specifiche massime più strette, a parità di condizioni.

Se l'ondulazione dell'uscita non è un grosso problema, è possibile utilizzare la modalità discontinua con uno schema di controllo a richiesta e ottenere la minima corrente media che si desidera. La maggior parte dei chip SMPS sono progettati per la modalità continua poiché utilizzano l'alta frequenza per mantenere basse le dimensioni dell'induttore fisico. Non entreranno in tutti i compromessi di progettazione e faranno un presupposto su quali siano le caratteristiche di output. Questa è generalmente un'ondulazione bassa e una risposta transitoria rapida. Con queste considerazioni, esiste un intervallo di corrente limitato in cui le caratteristiche saranno "buone". Scegliendo i parametri quanto basta per il caso corrente più alto, si ottengono buone prestazioni fino ai livelli di corrente più bassi.

Carichi più leggeri richiedono più induttanza per rimanere in modalità di conduzione continua (CCM).

L'equazione della nota dell'app a cui si fa riferimento fornisce un'induttanza Lmin che pone il convertitore al limite tra CCM e modalità di conduzione discontinua (DCM). Se si utilizza la corrente di carico massima in questo calcolo, il convertitore risultante cadrà in DCM in qualsiasi cosa inferiore al carico massimo, dove la sua dinamica cambierà . (La regolazione CC rimarrà buona.) Invece, basare il calcolo dell'induttanza sul carico minimo previsto, in modo che il convertitore rimanga in CCM nell'intervallo di carico.

Sono su una barca simile a te con questo chip. Da quello che ho capito (e per ripetere ciò che è stato detto sopra) vuoi impostare la tua corrente media in modo tale che la tua ondulazione di corrente da picco a picco attraverso l'induttore sia sempre superiore a 0 amp. Se guardi il grafico con corrente, tensione e stato di commutazione medi, vuoi assicurarti che i_min non possa mai colpire 0. Per fare ciò, riduci la tua ondulazione di corrente e questo permetterà alla tua corrente media di scendere anche .... avvicinandosi a 0 .