Dlaczego mniejsze obciążenia wymagają większych induktorów w regulatorach buck?

27

W MC34063 Application Note listy równanie do obliczania minimalnej wielkości cewki, co następuje:

Lmin=VinVsatVoutIpk(switch)ton

Oznacza to jednak, że wraz ze spadkiem I pk (przełącznika) (np. Maksymalny prąd przełączania) maleje minimalny rozmiar cewki indukcyjnej. Jest to wspierane przez interaktywne kalkulatory, takie jak ten , które wykazują ten sam efekt.

Dlaczego tak jest i czy implikuje to, że regulator będzie działał tak, jak został zaprojektowany, jeśli pracuje przy szczytowym obciążeniu, a zatem muszę zwiększyć rozmiar induktora, jeśli chcę obsłużyć mniejsze obciążenia?

Nick Johnson
źródło

Odpowiedzi:

21

Bardziej teoretyczne wyjaśnienie:

Prąd przepływający przez cewkę SMPS przypomina trójkąt. Średni prąd tego trójkąta jest równy twojemu obciążeniu. Wartość szczytowa jest określana przez różne napięcia wejściowe i wyjściowe, częstotliwość przełączania, cykl pracy i cewkę.

przetwornica Przebiegi dla konwertera złotówki

Pierwszy rysunek pokazuje konwerter złotówki. Drugi pokazuje przebiegi konwertera złotówki. Pokazuje przełącznik S, napięcie na cewce i prąd przez cewkę. Kiedy przełącznik jest zamknięty, napięcie na cewce indukcyjnej wynosi Vin-Vout. Gdy przełącznik jest otwarty, napięcie na cewce wynosi -Vout. Przyjmuje się, że dioda jest idealna i dlatego ma zerowy spadek napięcia. Konwerter złotówki ma zasadę, że Vin> Vout, więc masz dodatnie napięcie „ładujące” cewkę, a ujemne napięcie „rozładowujące” cewkę. Szybkość zmiany prądu zależy od tego napięcia i indukcyjności. Jeśli chcesz uzyskać stabilną moc wyjściową, wzrost powinien być tak „wysoki” jak downramp. W przeciwnym razie otrzymasz średnią malejącą lub rosnącą. Jest równowaga. W matematyce sprowadza się to do tego:

Równanie konwertera złotówki

Pierwszy termin formuły opisuje wzrost, a drugi termin opisuje spadek. Jak widać częstotliwość przełączania i cykl pracy zostały uproszczone do t_on i t_off. Cykl pracy zależy tylko od stosunku napięcia wyjściowego do napięcia wejściowego. Cykl pracy nie zmienia się przy zmiennym obciążeniu.

Poziom „prędkości” w górę i w dół zmienia się tylko wtedy, gdy zmienisz napięcie wejściowe / wyjściowe, wartość cewki indukcyjnej lub częstotliwość przełączania. Zwiększenie częstotliwości przełączania obniży przyspieszanie i zmniejszanie, ale nie zawsze jest możliwe zwiększenie częstotliwości przełączania (być może już operujesz na maksimum). Napięcia wejściowe / wyjściowe powinny pozostać stałe, to jest aplikacja, z którą mamy do czynienia. Jeśli zwiększysz induktor, zmiana prądu przez cewkę spadnie. To jedyne dostępne narzędzie.

Dlaczego to jest problem? W przebiegach, które pokazałem, konwerter działa dobrze. Minimalny prąd przez cewkę nie osiąga zera. Co się stanie, jeśli średni prąd spadnie tak bardzo, że cewka osiągnie zero?

Konwerter musiałby skorzystać z trybu nieciągłego. Nie wszystkie konwertery mogą to zrobić. Czasami wymaga to od konwertera pominięcia cykli. Jeśli konwerter otworzy przełącznik na minimalny czas, pewna ilość energii zostanie przekazana. Jest on przechowywany w kondensatorze, ale nie jest zużywany wystarczająco szybko. Wpłynie to na napięcie wyjściowe, co spowoduje niestabilność konwertera. W przypadku pominięcia cykli konwerter zasadniczo czeka, aż napięcie wyjściowe spadnie wystarczająco daleko, zanim będzie wymagał kolejnego cyklu.

Cewka o wyższej wartości będzie oznaczać, że minimalny prąd zbliży się do średniego prądu, prawdopodobnie unikając nieciągłej pracy. Oznacza to również, dlaczego obliczasz minimalny induktor za pomocą arkuszy danych. Zawsze możesz użyć większego induktora, ale mniejszy może powodować problemy przy małych obciążeniach. Jeśli jednak SMPS ma również zapewniać wysoką moc w sytuacjach, cewka może być zbyt obszerna i kosztowna.

Konwerter zdolny do przełączania się w tryb nieciągłości jest z tym bezproblemowy i nie musisz przez to przechodzić. MC34063 to dość stary i ogólny układ, więc jest nieco trudniejszy.

Jeśli nie możesz zamontować większego induktora .. dodaj minimalne obciążenie.

Hans
źródło
1
Arkusz danych MC34063 nie mówi wprost, czy obsługuje tryb nieciągłości, ale nota aplikacyjna sugeruje to w swoim opisie. W takim przypadku wydaje mi się, że powinienem być w porządku, choć z możliwym wzrostem tętnienia wyjściowego przy niższych obciążeniach.
Nick Johnson
15

Pomyśl o czymś odwrotnym. Większa cewka indukuje prąd wolniej, gdy zostanie przyłożone to samo napięcie. Dlatego, jeśli potrzebujesz dużo prądu, musisz użyć mniejszego induktora, aby szybciej wytworzyć prąd, lub pozostaw przełącznik dłużej włączony, aby zwiększyć prąd.

W przypadku mniejszego prądu wyjściowego niekoniecznie potrzebujesz większej cewki indukcyjnej. Istnieje jednak limit określający, jak krótki jest rozsądny czas utrzymywania włącznika, dlatego w cewce przełączającej występuje pewien minimalny wzrost prądu. Ten minimalny prąd powoduje pewien minimalny wzrost napięcia na wyjściu, gdy jest tam zrzucany. Dlatego przełączające zasilacze zaprojektowane dla wysokiego prądu będą miały wyższe tętnienie wyjściowe napięcia niż zasilacze o ściślejszej maksymalnej specyfikacji, wszystkie pozostałe będą równe.

Jeśli tętnienie wyjściowe nie stanowi dużego problemu, możesz użyć trybu nieciągłego ze schematem kontroli impulsu na żądanie i uzyskać tak mały średni prąd, jak chcesz. Większość układów SMPS zaprojektowano do pracy ciągłej, ponieważ używają wysokiej częstotliwości, aby zmniejszyć rozmiar cewki fizycznej. Nie zamierzają wchodzić we wszystkie kompromisy projektowe i przyjmą pewne założenia dotyczące tego, jakie parametry wyjściowe mają być. Jest to zazwyczaj niska tętnienie i szybka odpowiedź przejściowa. Biorąc pod uwagę powyższe rozważania, istnieje pewien ograniczony zakres prądu, w którym charakterystyki będą „dobre”. Wybierając parametry wystarczające dla przypadku o najwyższym natężeniu prądu, zapewniasz sobie dobrą wydajność aż do niższych poziomów prądu.

Olin Lathrop
źródło
1
Czy regulator o tętnieniu 100mV przy 1A spowoduje więcej tętnień przy niższym obciążeniu? Co się stanie, jeśli wybiorę cewkę większą niż wartość minimalna? Twój zapis sugeruje, że jest to zły pomysł, ale notatka aplikacji zdecydowanie wskazuje indukcyjność jako dolną granicę, a nie górną.
Nick Johnson
1
@Nick: W zależności od projektu przełącznik 1A może mieć więcej tętnień przy 10 mA. Lub może mieć mniej tętnienia przy 10 mA, jeśli oceniono tylko na 100 mA. Istnieje wiele kompromisów i schematów kontroli. Dzięki chipom przełączników w puszkach wiele z nich zostało stworzonych dla Ciebie często bez opracowania. Każda część z wbudowanym przełącznikiem ma dolną granicę indukcyjności. Wynika to z tego, że nastąpi minimalny czas włączenia, który wymaga pewnej minimalnej indukcyjności, aby nie przekroczyć maksymalnego prądu przełączania.
Olin Lathrop
1
Dzięki. Staram się głównie zweryfikować moje założenia, a mianowicie: 1) że mogę określić regulator na podstawie maksymalnego prądu (i tętnienia napięcia przy tym prądzie) i oczekiwać, że regulacja zostanie utrzymana w rozsądnych granicach tego, powiedzmy, na trzecim maksymalnego prądu i 2) Że mogę dla wygody wybrać cewkę większą niż minimum podane dla określonego maksymalnego prądu, bez uszczerbku dla projektu. Jeśli dobrze rozumiem twoją odpowiedź, oba te stwierdzenia są prawdziwe?
Nick Johnson
1
@Nick: Prawdopodobnie, ale nie możesz znać wszystkich kompromisów, które wpłynęły na projekt konkretnego układu przełączającego. Tylko arkusz danych może z całą pewnością powiedzieć, jaki jest prawidłowy zakres wartości części.
Olin Lathrop
7

Lżejsze obciążenia wymagają większej indukcyjności, aby pozostać w trybie ciągłego przewodzenia (CCM).

Odwołane równanie notatki aplikacji daje indukcyjność Lmin, która stawia konwerter na granicy między CCM a trybem nieciągłego przewodzenia (DCM). Jeśli użyjesz maksymalnego prądu obciążenia w tym obliczeniu, powstały konwerter spadnie do DCM przy czymkolwiek mniejszym niż maksymalne obciążenie, gdzie zmieni się jego dynamika . (Regulacja prądu stałego pozostanie dobra.) Zamiast tego oprzyj obliczenia indukcyjności na przewidywanym minimalnym obciążeniu, aby przetwornica pozostała w CCM w zakresie obciążenia.

Art Brown
źródło
0

Jestem na podobnej łodzi jak ty z tym chipem. Z tego, co rozumiem (i aby powtórzyć to, co powiedziano powyżej), chcesz ustawić swój średni prąd tak, aby prąd między szczytami pulsował przez cewkę zawsze powyżej 0 amperów. Jeśli spojrzysz na wykres ze średnim prądem, napięciem i stanem przełącznika, chcesz upewnić się, że i_min nigdy nie osiągnie 0. Aby to osiągnąć, zmniejsz tętnienie prądu, co pozwoli również obniżyć średni prąd .... zbliża się do 0 .

użytkownik1919542
źródło