So wählen Sie eine SMD-Induktivität für einen DC/DC-Wandler aus

Das Verständnis der Grundlagen des Schaltwandlerprinzips wird Entwicklern helfen, den besten Induktor für ihre Anwendung auszuwählen. Von Mitchell Rhine, Director of Engineering, Signal Transformer.

Herkömmliche lineare Spannungsregler haben einen großen Nachteil:Die am Durchgangstransistor abfallende Spannung multipliziert mit dem Laststrom entspricht der verschwendeten Leistung. Die bevorzugte Option ist oft ein DC/DC-Wandler im Schaltmodus, bei dem die Leistungstransistoren kontinuierlich mit einem Tastverhältnis schalten, das mit etwas zusätzlicher Filterung die erforderliche Ausgangsspannung liefert.

In dieser Konfiguration ist der Transistor entweder EIN, was keinen Spannungsabfall beinhaltet, oder AUS, ohne dass Strom fließt. Dies bedeutet, dass die Verlustleistung beim Umschalten zwischen den Zuständen tendenziell gegen Null geht, was zu einem Wirkungsgrad von bis zu 95 % führt, während lineare Wandler typischerweise etwa 50 % liefern. Schaltwandler haben einen weiteren großen Vorteil, dass sie aufgrund ihrer Topologie im Abwärts- (sog. „Buck“), Aufwärts- („Boost“) oder Invertieren („Buck-Boost“) Modus arbeiten können.

Bei der Auswahl der benötigten Induktivität ist ein grundlegendes Verständnis des Schaltwandlerprinzips hilfreich. Dieser Artikel konzentriert sich nur auf einige grundlegende Konfigurationen, hauptsächlich auf den sehr beliebten Festfrequenz-Abwärtswandler, der im „kontinuierlichen Modus“ betrieben wird.

Abb. 1:Ein einfacher schaltender DC/DC-Wandler.

Ein einfacher Abwärtswandler besteht nur aus einem Schalter, einer Induktivität, einem Kondensator und einer Diode (Abb. 1 ). Unter der Annahme eines idealen Schalters und einer idealen Diode, V_sw =0 und V_d =0, vereinfacht die Erklärung der Funktionsweise des Umrichters. In einem realen Auslegungsfall, um den erforderlichen Induktivitätswert L, den erwarteten Arbeitszyklus D und die Betriebseffizienz genau zu bestimmen, V_sw und V_d müssen als ungleich Null betrachtet werden und ihre Auswirkungen auf die Wandlerschaltung müssen berücksichtigt werden.

Wenn der Schalter eingeschaltet ist, ist die Diode ausgeschaltet und ein ansteigender Strom fließt direkt vom Eingang zum Ausgang. Wenn der Schalter ausgeschaltet ist, kehrt die Spannung an der Induktivität ihre Polarität um, da ihre Induktivität versucht, den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Dadurch wird die „Catch“-Diode eingeschaltet, und dies bewirkt, dass der Strom abfällt, bis der Schalter wieder eingeschaltet wird und der Zyklus wiederholt wird. Der ansteigende EIN-Strom erhöht die Magnetisierung des Induktorkerns und speichert Energie im Induktor, die während des AUS-Zyklus zurückgegeben wird, wenn der Strom nach unten abfällt.

Abb. 2:Die Rampenwellenform eines schaltenden DC/DC-Wandlers.

Der Verlauf des durch die Induktivität fließenden Stroms bei einem Abwärtswandler ist in Abb. 2 . Es enthält eine durchschnittliche Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente, die periodisch auf und ab ansteigt. Der DC-Strom entspricht dem DC-Laststrom I_load . Unter stationären Bedingungen ist der Induktorstrom am Ende des Zyklus gleich dem zu Beginn des Zyklus.

Der kontrollierte Schaltvorgang führt zu

V_out =D * V_in (Gleichung 1)

wobei D der Arbeitszyklus ist, da D =t_on /(t_ein + t_aus ).

Die Schaltfrequenz wird bestimmt durch f_sw =1/(t_ein + t_aus ), mit t_an =D/f_sw .

Addieren aller Spannungsabfälle, die während der EIN-Zeit in der Schaltung erzeugt werden, und unter der Annahme, dass V_sw =0, daraus ergibt sich

V_in – V_ind – V_out =0 (Gleichung 2)

Wenn wir jetzt V_ind . ersetzen =L * di/dt, wobei di der Größe der Stromrampe ähnelt I_Rampe und dt die EIN-Zeit t_on , das bringt uns zu

L * I_Rampe =(V_in – V_out ) * t_ein (Gleichung 3)

Dies hat eine bedeutende Konsequenz, da die rechte Seite von Gleichung 3 für eine gegebene Eingangs-Ausgangs-Spannungsdifferenz konstant ist, was dasselbe für die resultierende Schaltfrequenz und den Wert von t_on . impliziert . Ein größerer Induktivitätswert L entspricht einer kleineren ansteigenden Stromkomponente, während kleinere Induktivitätswerte zu einer größeren Stromrampe führen. Wenn die Induktivität sehr klein gewählt wird, kann dies auf die Spitze getrieben werden, und es kann eine Stromrampe so groß sein, dass bei einem Niedriglaststromzustand der Gesamtstrom, der durch die Induktivität fließt, für einen Teil der Schaltperiode auf Null sinken könnte . Dieser Zustand wird als diskontinuierlicher Modus bezeichnet.

Es gibt noch eine weitere wichtige Überlegung, die beachtet werden muss; eine kleinere Induktivität, die bei einigen Anwendungen attraktiv sein kann, führt zu einem größeren Rampenstrom der Induktivität, und dies verursacht eine höhere Welligkeit an der Ausgangsspannung. Eine große I_Rampe erhöht auch die AC-Kernverluste in der Induktivität. Als allgemeine Richtlinie gilt:I_Rampe sollte im Vergleich zum maximalen Laststrom klein sein; dies bestimmt den Induktivitätswert L für ein gegebenes Systemdesign.

Kommen wir nun zu einer wichtigen Spezifikation in Bezug auf die Wahl des richtigen Induktivitätswertes. Es ist der maximale Spitzenstrom durch die Induktivität. Im stationären Betrieb ist es

I_max =I_{load_max} + Ich_Rampe /2 (Gleichung 4)

Wenn man sich Gleichung 3 ansieht, wird deutlich, dass I_Rampe ist unabhängig von I_load . Zur Bestimmung von I_max , ist eine genauere Betrachtung erforderlich, wie ich _Rampe variiert mit unterschiedlichen Werten von V_in nach der Entscheidung über die Werte des Induktors L.

Addieren aller Spannungsabfälle und mit V_d =0 während der AUS-Zeit, dies ergibt

V_ind – V_out =0 (Gleichung 5)

Unter Berücksichtigung von V_ind =L * di/dt, wobei di der Betrag der Stromrampe ist I_Rampe und dt ist die AUS-Zeit t_off , führt uns zu

Ich_Rampe =V_out * t_aus /L (Gleichung 6)

Wenn V_out ist konstant, I_Rampe ist maximal, wenn t_off ist auch maximal. Dies tritt auf, wenn V_in maximal ist, und diese Bedingung bestimmt I_Rampe und der maximale Spitzenstrom der Induktivität (Gleichung 4).

Mit dem ermittelten Induktivitätswert und dem bekannten Maximalstrom führt uns dies schließlich zur Auswahl des passenden Induktortyps. Abgeschirmte und EMI-arme Induktivitäten sind eine gute Wahl für dicht bestückte Platinen, wie dies bei neuen IoT-Designs der Fall ist. Ihr Vorteil besteht darin, dass ihr magnetischer Fluss innerhalb des Induktorkörpers enthalten ist, was zu einer geringeren Strahlungsbelastung auf umgebende PCB-Leiterbahnen und -Komponenten führt.

Die magnetisch abgeschirmten Teile der SCRH-Serie von Signal Transformer sind beispielsweise mit Induktivitäten von 1,0 µH bis 180 µH, Sättigungsströmen von 0,15 A bis 5,0 A und Höhen von 1,9 mm bis 4 mm erhältlich. Wird ein größerer Induktivitätswert benötigt, bietet die SCxxxxC-Serie Werte von 10 µH bis 1 mH, mit Sättigungsströmen von 0,045 A bis 8 A und Höhen von 2,92 mm bis 7,62 mm. Für Hochstromanwendungen sind weitere Serien sowie ungeschirmte Induktivitäten für höchste Effizienz und robuste Belastbarkeit mit geringen Abmessungen erhältlich.

vorgestellte Bildquelle:Signaltransformator