Wie wähle ich den richtigen Induktivitätswert für den folgenden Abwärtsregler aus?

Zuallererst bin ich ein bisschen Mathe-Fan und kein Elektronik-Genie. Das, was ich mache, ist Spaß und dient Lernzwecken ...

Ich arbeite an einer Abwärtswandlerschaltung, um meinen USB Vbus 5V in 3,3V umzuwandeln. Ich habe den AP5100 ausgewählt und finde es ziemlich schwierig, die richtigen Werte für einige der Komponenten herauszufinden.

Das Datenblatt gibt die Werte für R1 (49,9 kΩ) und R2 (16,2 kΩ) in Tabelle 1 auf Seite 6 genau an, um eine Ausgangsspannung von 3,3 V zu ermitteln der Induktivitätswert für die L1-Induktivität. Das Datenblatt zeigt 3,3 µH auf Seite 2, Abbildung 3:

Ich möchte besser verstehen, wie die 3,3 µH berechnet wurden und ob dies tatsächlich der richtige Wert für meine Anwendung ist.

Zurück zum Datenblatt lautet die Formel zur Berechnung von L wie folgt:

Dabei ist ΔIL der Induktivitätswelligkeitsstrom und fSW die Schaltfrequenz des Tiefsetzstellers.

Das Datenblatt besagt:

Wählen Sie den Induktivitätswelligkeitsstrom so, dass er 30% des maximalen Laststroms beträgt. Der maximale Induktorspitzenstrom berechnet sich aus:

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

Okay, hier bin ich schrecklich verloren und versuche mein Bestes, um mein kleines Gehirn um den Wert zu wickeln.

Ich kenne folgendes:

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

Wie ermittelt man den ΔIL (Ripple Current), um zum Induktivitätswert zu gelangen?

Meine Formel sollte am Ende ungefähr so ​​aussehen, oder?

Aber was ist ΔIL?

Außerdem dachte ich, der Buck-Wandler sollte eine Reihe von Eingängen für Vin zulassen, im Fall dieses einen von 4,75 V auf 24 V?

Hier ist mein Schaltplan, den ich in Eagle CAD zeichne:

Die Auswahl eines Induktivitätswerts für einen Abwärtsregler erfolgt direkt aus V = . Wobei V die Spannung an der Induktivität und i der Strom durch sie ist. Zunächst möchten Sie für den Fall entwerfen, dass sich der Induktor im CCM-Modus (Continuous Conduction Mode) befindet. Dies bedeutet, dass die Energie im Induktor während des Schaltzyklus nicht ausgeht. Es gibt also zwei Zustände, einen, in dem der Schalter eingeschaltet ist, und einen anderen, in dem der Schalter ausgeschaltet ist (und der Gleichrichter eingeschaltet ist). Die Spannung an der Induktivität ist in jedem Zustand im Wesentlichen konstant (obwohl sie für jeden Zustand einen anderen Wert hat). Da die Spannung konstant ist, kann die Induktivitätsgleichung linearisiert (und neu angeordnet werden, um L zu ergeben). $\frac{\text{L di} }{\text{dt}}$

• L = Dies ist die Grundlage für die Gleichung, die Sie in der App-Notiz gesehen haben.$\frac{V \text{$\Delta $t}}{\text{$\Delta $I}}$

• $\text {$\Delta $I}$ ist etwas, das Sie definieren und nicht bestimmen.

Sie möchten den CCM-Betrieb aufrechterhalten, definieren Sie also als einen kleinen Bruchteil des Induktivitätsstroms (I). Eine gute Wahl ist 10% von I. Für Ihren Fall wäre also 0,24A. Dadurch wird auch der Welligkeitsstrom in den Ausgangskondensatoren definiert, und weniger Welligkeitsstrom bedeutet weniger Welligkeitsspannung am Ausgang. Δ$\text {$\Delta $I}$$\text {$\Delta $I}$

Jetzt können Sie mit und einen optimalen Wert für L (und damit das Tastverhältnis D = ). Sie können aber auch eine schnelle Überschätzung der Induktivität vornehmen, wenn Sie nicht berücksichtigen. Verwenden Sie dazu L ~ (für weitere dies hier Wie ein Induktor für eine Buck - Regler - Schaltung wählen? ). Eine Überschätzung kann sich lohnen, insbesondere wenn Sie sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium befinden oder nicht genau wissen, wie hoch der Ausgangsstrom sein wird (der Ausgangsstrom ist in der Regel höher als erwartet). V o V $V_{\text{in}}$$V_o$ Vin10V$\frac {V_o} {V_ {\text {in}}}$$V_{\text{in}}$$\frac{10 V_o}{I_o F_{\text{sw}}}$

Da Sie sich für Linear Tech interessieren, sollten Sie (wie Anindo Ghosh betonte) auch die Verwendung der CAD-Unterstützung in Betracht ziehen.

Zum Entwerfen einer Abwärtsregelungsschaltung ist es möglicherweise besser, mit einem der verschiedenen kostenlosen Online-Tools zum Entwerfen von Stromversorgungen auf den Websites der Hersteller zu beginnen, z.

• Fairchild Semiconductor: Netzteil WebDesigner
• Lineartechnik: LTPowerCAD
• Texas Instruments: WeBench Power Designer und SwitcherPro Design Tool

Indem das Tool Ihre Anforderungen (einschließlich akzeptabler Welligkeit) als Parameter bereitstellt, wählt es in der Regel eine Reihe von Controllern aus, die den Zweck erfüllen. Dies ist normalerweise eine sicherere Vorgehensweise, als mit einem bereits festgelegten Controller zu beginnen und dann zu versuchen, von den im Datenblatt angegebenen Werten für Unterstützungskomponenten abzuweichen.

Viele der genannten kostenlosen "Power Designer" -Tools stellen eine vollständige Stückliste als Ausgabe bereit - einschließlich der benötigten Induktoren, normalerweise mit Teilenummern.

Einige (z. B. TI WeBench) bieten auch empfohlene Layouts und Schätzungen des erforderlichen Platinenplatzes. Einige Tools ermöglichen darüber hinaus den gewünschten Platz auf der Platine als Konstruktionsparameter sowie die Anzahl der Komponenten, die Kosten und andere Einstellungen.

Es kann hilfreich sein, zu verstehen, was passiert, wenn Sie einen Induktor mit falschem Wert auswählen .

Wenn Sie eine Induktivität mit einem zu niedrigen Wert auswählen, ändert sich der Strom durch diese Induktivität in jeder Schaltperiode zu stark. Der Strom kann in einer Schaltperiode so stark ansteigen, dass er die Stromkapazität der den Induktor ansteuernden Schaltung übersteigt. Dieser hohe Ripple-Strom schont auch den Kondensator auf der Ausgangsseite. Die ESR-Verluste im Kondensator sind hoch oder der Welligkeitsstrom übersteigt die Nennleistung des Kondensators und er fällt aus.

Wenn Sie einen Induktor mit einem zu großen Wert auswählen, zahlen Sie für eine Menge Induktor, die Sie nicht benötigen. Induktivitäten mit einem Kern haben einen Sättigungsstrom. Dies ist der Strom, bei dem der Kern keinen Magnetfluss mehr aufnehmen kann und der Induktor aufhört, ein Induktor mit einem Kern zu sein, und fast wie ein Draht beginnt. Für einen gegebenen Kern einer gegebenen Größe und eines gegebenen Materials können Sie einen Induktor mit höherer Induktivität herstellen, indem Sie einfach mehr Drahtwindungen darum legen. Jede dieser Windungen trägt jedoch mehr Magnetfluss bei. Wenn Sie also mehr Windungen hinzufügen, verringern Sie auch den Sättigungsstrom des Induktors, da Ihr Strom mit der Anzahl der Drahtwindungen multipliziert wird, um den Magnetfluss durch den Induktor zu erreichen . Wenn Sie also eine höhere Induktivität bei gleichem Sättigungsstrom wünschen, benötigen Sie einen physikalisch größeren Kern.

Ich werde eine Erklärung der Mathematik einer anderen Antwort überlassen. In solchen Dingen bin ich nicht der Beste.

Wie ermittelt man den ΔIL (Ripple Current), um zum Induktivitätswert zu gelangen?

Verwenden Sie die vom Chiphersteller vorgegebene Faustregel (wählen Sie einen Wert, der 30% Ihres erwarteten maximalen DC-Ausgangsstroms entspricht). Außerdem finden Sie auf Seite 8 einen Hinweis: "Für die meisten Anwendungen wird eine Induktivität von 1 μH bis 10 μH mit einem DC-Nennstrom empfohlen, der mindestens 25% über dem maximalen Laststrom liegt."

I = 2,4A (denke ich)

Es hört sich jedoch so an, als ob Sie sich nicht sicher sind, wie hoch der erwartete maximale DC-Ausgangsstrom ist.

Schauen Sie sich diese Wellenform an, die schamlos von Wikipedia entlehnt wurde:

Der Induktivitätsstrom wird unten angezeigt. Die Größe der Rampen wird durch definiert

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

$I_{av}$

Bedenken Sie auch, dass dieser Teil über eine interne Fehlerverstärkerkompensation verfügt, die den LC-Ausgangsfilter einschränkt (weichen Sie nicht von dessen Induktivitätsbereich ab, es sei denn, Sie verfügen über ein Gerät zur Messung des Frequenzgangs des Umrichters im geschlossenen Regelkreis).