Elegir valores de inductor para paso

Un convertidor reductor, también llamado convertidor reductor, es un regulador de voltaje de modo conmutado que convierte de manera eficiente un voltaje de entrada de CC en un voltaje de salida de CC más bajo. En esta serie de artículos, utilizamos LTspice para investigar el comportamiento eléctrico de un convertidor de voltaje de modo conmutado. Este artículo comenzará a explorar las tareas de diseño y las compensaciones relacionadas con el inductor del circuito.

El esquema de LTspice que se muestra en la Figura 1 nos permitirá simular la etapa de potencia de un convertidor reductor. Para ser un convertidor completo, necesitaríamos agregar un circuito de control de retroalimentación para regular el voltaje.

Una nota de aplicación de Texas Instruments proporciona la siguiente ecuación para calcular el tamaño del inductor:

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Cada uno de estos términos requiere alguna explicación:

VOUT: Este es el voltaje de salida regulado para el que desea diseñar. Puede terminar usando su regulador con un voltaje de salida mayor o menor, y eso está bien, pero si realiza un cambio importante en el voltaje de salida, el convertidor puede beneficiarse de un nuevo valor de inductancia.

Número de bastidor:De manera similar, a menudo esperamos que un regulador de conmutación tolere un rango de voltajes de entrada, por lo que si su VIN no es fijo, puede elegir un valor en algún lugar en el medio del rango.

fS (frecuencia de conmutación): Debe pensar en la frecuencia de conmutación antes de poder calcular el valor de la inductancia. Algo entre 200 kHz y 2 MHz es un punto de partida razonable. Si desea obtener orientación sobre si debe favorecer el extremo inferior o superior de ese rango, consulte mi artículo titulado Cómo elegir la frecuencia de su regulador de conmutación.

ΔIL:Esto denota la ondulación de la corriente del inductor, es decir, la variación de pico a pico en la corriente del inductor como se ilustra en la Figura 2.

En respuesta a la acción de encendido/apagado del elemento de conmutación, la corriente del inductor en un convertidor reductor sube y baja, extendiéndose por encima y por debajo de la corriente de carga (que es el valor promedio de la corriente del inductor). La magnitud de estas desviaciones se expresa como ondulación de la corriente del inductor (ΔIL).

Si expresamos la ondulación actual (CR) como un porcentaje de la corriente de carga esperada, una especificación CR recomendada es del 30%. Esto significa que la corriente máxima del inductor es un 15 % por encima de la corriente de carga esperada y la corriente mínima del inductor es un 15 % por debajo de la corriente de carga esperada.

Es posible que vea términos como "corriente de carga máxima" o "corriente de carga completa" en lugar de "corriente de carga esperada". Interpreto que todo esto significa la corriente de carga más alta que el regulador necesitará suministrar a largo plazo. No consideraría corrientes transitorias inusualmente altas al establecer un objetivo ΔIL.

Analicemos un ejemplo de dimensionamiento de inductores. Cambiaremos varios parámetros en mi circuito LTspice para que realmente estemos haciendo algo nuevo aquí.

Imaginemos que nuestro objetivo es aceptar un voltaje de sistema bastante alto y generar un riel de voltaje adecuado para un sistema integrado de señal mixta de baja potencia. Diremos que nuestro voltaje de entrada nominal es 24 V y nuestro voltaje de salida deseado es 3,3 V. La corriente de carga esperada es 70 mA.

Se prefiere un regulador de conmutación para este tipo de aplicación porque el gran diferencial de entrada a salida sólo intensificaría la ineficiencia inherente de un regulador lineal.

Debido a que alimentaremos algunos circuitos analógicos, quiero reducir la ondulación en el voltaje de salida. Además, voy a optar por una frecuencia de conmutación más alta (digamos 1,5 MHz) porque las frecuencias de conmutación más altas ayudan a reducir la ondulación de salida.

También debemos elegir un ciclo de trabajo inicial. Para esto, podemos usar el ciclo de trabajo máximo que necesitará el circuito para el voltaje de entrada y salida especificado, y calculamos el ciclo de trabajo máximo de la siguiente manera:

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{eficiencia}}$$

Una aproximación razonable para la eficiencia es del 90%, por lo que nuestro ciclo de trabajo máximo es aproximadamente del 15%:

$$D_{max}=\frac{3.3}{24\times 0.9} = 0.153 = 15.3\%$$

En la Figura 3, actualicé el esquema con la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo.

Estoy usando un valor predeterminado de 1 μF para el capacitor C1. Discutiremos el tamaño del capacitor en un artículo futuro.

Además, tenga en cuenta que reemplacé la resistencia de carga con una fuente de corriente, ILOAD. Esto asegura que la corriente de carga será de 70 mA independientemente del voltaje de salida.

Aquí está nuestro cálculo de inductancia:

$$L_1=\frac{3.3\ V\times\left(24\ V-3.3\ V\right)}{(0.3\times 70\ \text{ mA}) \times 1.5 \text{ MHz} \times 24 \ V}\aprox 90,4 \text{ } \mu \text{H}$$

Y aquí está el esquema actualizado:

La Figura 5 muestra la corriente del inductor, la corriente de carga y el voltaje de salida al simular nuestro nuevo convertidor reductor.

Estos resultados parecen buenos, pero aún quedan bastantes detalles por examinar. Continuaremos esta discusión en el próximo artículo y también consideraremos las razones para usar un valor de inductancia mayor o menor que el valor inicial que determinamos usando la fórmula.