Mengapa muatan yang lebih kecil memerlukan induktor yang lebih besar dalam regulator uang?

27

The MC34063 Application Note daftar persamaan untuk menghitung ukuran induktor minimum sebagai berikut:

{L.}_{m saya n} = \frac{V_{saya n} - V_{s Sebuah t} - V_{Hai kamu t}}{{saya}_{hal k} (s w saya t c h)} t_{Hai n}

$L_{min} = \frac{V_{in} - V_{sat} - V_{out}}{I_{pk}(switch)} t_{on}$

Tetapi ini menyiratkan bahwa ketika I _pk (switch) (misalnya, arus sakelar maksimum) berkurang, ukuran induktor minimum meningkat. Ini didukung oleh kalkulator interaktif seperti ini , yang menunjukkan efek yang sama.

Mengapa demikian, dan apakah itu menyiratkan bahwa regulator hanya akan berfungsi seperti yang dirancang jika berjalan pada beban puncak, dan dengan demikian saya perlu meningkatkan ukuran induktor jika saya ingin menangani beban yang lebih kecil?

— Nick Johnson
sumber

21

Penjelasan yang lebih teoretis:

Arus melalui induktor dari SMPS seperti segitiga. Arus rata-rata segitiga ini sama dengan beban Anda. Nilai puncak ke puncak ditentukan oleh berbagai tegangan input dan output, frekuensi switching, siklus tugas dan induktor.

Konverter uang Bentuk gelombang untuk konverter buck

Angka pertama menunjukkan konverter uang. Yang kedua menunjukkan bentuk gelombang dari konverter buck. Ini menunjukkan saklar S, tegangan melintasi induktor dan arus melalui induktor. Ketika sakelar ditutup, tegangan yang melintasi induktor adalah Vin-Vout. Ketika sakelar terbuka, tegangan pada induktor adalah -Vout. Dioda diasumsikan dalam ideal ini dan karenanya memiliki drop tegangan nol. Konverter buck memiliki aturan Vin> Vout, sehingga Anda memiliki voltase positif 'mengisi' induktor, dan voltase negatif 'melepaskan' induktor. Tingkat perubahan arus tergantung pada tegangan dan induktansi ini. Jika Anda menginginkan output yang stabil, upramp harus setinggi 'downramp'. Kalau tidak, Anda akan mendapatkan rata-rata jatuh atau naik. Ada keseimbangan. Dalam matematika, ini adalah ini:

Persamaan untuk konverter buck

Istilah pertama dari rumus tersebut menggambarkan upramp, dan istilah kedua menjelaskan downramp. Seperti yang Anda lihat, frekuensi switching dan siklus tugas telah disederhanakan menjadi t_on dan t_off. Siklus tugas hanya tergantung pada rasio antara tegangan output terhadap tegangan input. Siklus tugas tidak akan berubah dengan beban yang bervariasi.

Level 'kecepatan' upramp dan downramp hanya akan berubah jika Anda mengubah voltase input / output, nilai induktor atau frekuensi switching. Meningkatkan frekuensi switching akan menurunkan up dan downramps, tetapi tidak selalu mungkin untuk meningkatkan frekuensi switching (mungkin Anda sudah beroperasi secara maksimal). Tegangan input / output tetap konstan, itulah aplikasi yang Anda hadapi. Jika Anda meningkatkan induktor maka perubahan arus melalui induktor akan turun. Itu satu-satunya alat yang Anda miliki.

Mengapa ini menjadi masalah? Nah, dalam bentuk gelombang saya telah menunjukkan konverter bekerja dengan baik. Arus minimum melalui induktor tidak mencapai nol. Apa yang terjadi jika arus rata-rata turun hingga induktor mencapai nol?

Konverter perlu beralih ke mode diskontinyu. Tidak semua konverter dapat melakukan ini. Ini kadang-kadang mengharuskan konverter untuk melewati siklus. Jika konverter membuka saklar untuk jumlah waktu minimal, sejumlah energi tertentu ditransfer. Ini disimpan dalam kapasitor, tetapi tidak dikonsumsi cukup cepat. Ini akan mempengaruhi tegangan output, yang membuat konverter tidak stabil. Jika Anda melewatkan siklus, konverter pada dasarnya menunggu sebelum tegangan output turun cukup jauh sebelum memerlukan siklus lain.

Nilai induktor yang lebih tinggi akan berarti bahwa arus minimum akan lebih dekat dengan arus rata-rata Anda, mungkin menghindari operasi terputus-putus. Ini juga menyiratkan mengapa Anda menghitung induktor minimum melalui lembar data. Anda selalu dapat menggunakan induktor yang lebih besar, tetapi yang lebih kecil dapat menyebabkan masalah pada beban rendah. Namun jika SMPS juga dirancang untuk memberikan daya tinggi dalam situasi, induktor mungkin terlalu besar dan mahal.

Konverter yang mampu beralih ke mode diskontinyu bebas dari masalah dan Anda tidak harus melalui ini. MC34063 adalah chip yang cukup tua dan generik, jadi ini sedikit lebih rumit.

Jika Anda tidak dapat memuat induktor yang lebih besar .. tambahkan beban minimum sendiri.

— Hans
sumber

1

Lembar data MC34063 tidak secara eksplisit mengatakan jika menangani mode diskontinyu, tetapi catatan aplikasi menyiratkannya dalam deskripsinya. Jika itu masalahnya, sepertinya saya harus baik-baik saja, meskipun dengan kemungkinan peningkatan riak keluaran pada beban yang lebih rendah.

— Nick Johnson

15

Pikirkan sebaliknya. Induktor yang lebih besar membangun arus lebih lambat ketika tegangan yang sama diterapkan di atasnya. Oleh karena itu, jika Anda memerlukan banyak arus, Anda harus menggunakan induktor yang lebih kecil untuk membangun arus lebih cepat, atau meninggalkan saklar lebih lama untuk membangun lebih banyak arus.

Untuk arus keluaran yang lebih kecil, Anda tidak perlu induktor yang lebih besar. Namun, ada batasan seberapa pendek masuk akal untuk tetap menyalakan, sehingga ada beberapa penumpukan arus minimum di induktor setiap siklus sakelar. Arus minimum itu menyebabkan beberapa peningkatan tegangan minimum pada output ketika dibuang di sana. Oleh karena itu, peralihan catu daya yang dirancang untuk arus tinggi akan memiliki tegangan riak keluaran yang lebih besar daripada yang memiliki spesifikasi maksimum yang lebih ketat, semuanya sama.

Jika riak keluaran bukan masalah besar, Anda dapat menggunakan mode diskontinyu dengan skema kontrol permintaan dan dapatkan arus rata-rata sesedikit yang Anda inginkan. Kebanyakan chip SMPS dirancang untuk mode kontinu karena mereka menggunakan frekuensi tinggi untuk menjaga ukuran induktor fisik turun. Mereka tidak akan masuk ke semua tradeoffs desain, dan akan membuat beberapa asumsi tentang apa yang Anda inginkan karakteristik output menjadi. Ini biasanya riak rendah dan respons transien cepat. Dengan pertimbangan ini, ada beberapa rentang arus yang terbatas di mana karakteristiknya akan "baik". Dengan memilih parameter yang cukup untuk casing saat ini tertinggi, Anda memberikan diri Anda kinerja yang baik ke level yang lebih rendah saat ini.

— Olin Lathrop
sumber

1

Jadi regulator yang diberi nilai 100mV riak pada 1A akan menyebabkan lebih banyak riak pada beban yang lebih rendah? Bagaimana jika saya memilih induktor yang lebih besar daripada nilai minimum? Langgan Anda menyiratkan ini adalah ide yang buruk, tetapi catatan aplikasi pasti menunjukkan induktansi sebagai batas bawah, bukan yang atas.

— Nick Johnson

1

@Nick: Tergantung pada desainnya, switcher 1A mungkin memiliki lebih banyak riak pada 10 mA. Atau bisa memiliki riak kurang dari 10 mA jika diberi nilai hanya 100 mA. Ada banyak pengorbanan dan skema kontrol. Dengan chip switcher kalengan, banyak dari ini telah dibuat untuk Anda sering tanpa elaborasi. Setiap bagian dengan sakelar bawaan memiliki batas induktansi yang lebih rendah. Ini karena akan ada beberapa saklar minimum waktu, yang memerlukan beberapa induktansi minimum untuk tidak melebihi arus sakelar maksimum.

— Olin Lathrop

1

Terima kasih. Saya sebagian besar mencoba untuk memvalidasi asumsi saya, yaitu: 1) Bahwa saya dapat menentukan regulator berdasarkan arus maksimum (dan riak tegangan pada arus itu), dan mengharapkan regulasi dipertahankan dalam batas yang masuk akal, katakanlah, sepertiga dari arus maks, dan 2) Bahwa saya dapat memilih induktor lebih besar dari minimum yang diberikan untuk arus maks tertentu untuk kenyamanan, tanpa mengorbankan desain. Jika saya memahami jawaban Anda dengan benar, kedua pernyataan itu benar?

— Nick Johnson

1

@Nick: Mungkin, tapi Anda tidak bisa tahu semua pengorbanan yang masuk ke desain chip switcher tertentu. Hanya lembar data yang dapat memberi tahu Anda dengan pasti berapa kisaran nilai bagian yang valid.

— Olin Lathrop

7

Beban yang lebih ringan membutuhkan lebih banyak induktansi untuk tetap dalam mode konduksi kontinu (CCM).

Persamaan catatan aplikasi yang Anda ref memberikan Lmin induktansi yang menempatkan konverter pada batas antara CCM dan mode konduksi terputus (DCM). Jika Anda menggunakan arus beban maks dalam perhitungan ini, konverter yang dihasilkan akan jatuh ke DCM pada sesuatu yang kurang dari beban maks, di mana dinamika akan berubah . (Regulasi DC akan tetap baik.) Sebagai gantinya, dasar perhitungan induktansi pada beban min yang diantisipasi, sehingga konverter tetap berada di CCM pada rentang beban.

— Art Brown
sumber

0

Saya di kapal yang sama seperti Anda dengan chip ini. Dari apa yang saya mengerti (dan untuk mengulangi apa yang telah dikatakan di atas) Anda ingin mengatur arus rata-rata Anda sehingga puncak Anda ke riak arus puncak melalui induktor selalu di atas 0 amp. Jika Anda melihat grafik dengan arus rata-rata, tegangan dan kondisi sakelar yang Anda ingin memastikan i_min tidak akan pernah bisa mencapai 0. Untuk mencapai ini menyusutkan riak Anda saat ini dan ini akan memungkinkan arus rata-rata turun juga .... mendekati 0 .

— pengguna1919542
sumber