Tại sao tải nhỏ hơn yêu cầu cuộn cảm lớn hơn trong bộ điều chỉnh buck?

Các MC34063 Application Note liệt kê các phương trình để tính toán kích thước cuộn cảm tối thiểu như sau:

Nhưng điều này ngụ ý rằng khi tôi _pk (công tắc) (ví dụ, dòng công tắc tối đa) giảm, kích thước cuộn cảm tối thiểu tăng. Điều này được hỗ trợ bởi các máy tính tương tác như cái này , cho thấy hiệu quả tương tự.

Tại sao lại như vậy, và nó có nghĩa là bộ điều chỉnh sẽ chỉ hoạt động như thiết kế nếu chạy ở mức tải cao nhất, và do đó tôi cần tăng kích thước cuộn cảm nếu tôi muốn xử lý các tải nhỏ hơn?

Một lời giải thích lý thuyết hơn:

Dòng điện qua cuộn cảm của SMPS giống như một hình tam giác. Dòng điện trung bình của tam giác này bằng tải của bạn. Giá trị đỉnh-đỉnh được xác định bởi các điện áp đầu vào và đầu ra khác nhau, tần số chuyển mạch, chu kỳ nhiệm vụ và cuộn cảm.

Hình đầu tiên cho thấy một bộ chuyển đổi buck. Thứ hai cho thấy các dạng sóng của bộ chuyển đổi buck. Nó cho thấy công tắc S, điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua cuộn cảm. Khi đóng công tắc, điện áp trên cuộn cảm là Vin-Vout. Khi công tắc mở, điện áp trên cuộn cảm là -Vout. Các diode được giả định trong lý tưởng này và do đó có sụt áp không. Bộ chuyển đổi buck có một quy tắc là Vin> Vout, do đó bạn có điện áp dương 'sạc' cuộn cảm và điện áp âm 'xả' cuộn cảm. Tốc độ thay đổi dòng điện phụ thuộc vào điện áp và độ tự cảm này. Nếu bạn muốn có đầu ra ổn định, upramp phải ở mức 'cao' như downramp. Nếu không, bạn nhận được một trung bình giảm hoặc tăng. Có một trạng thái cân bằng. Trong toán học, điều này dẫn đến điều này:

Thuật ngữ đầu tiên của công thức mô tả upramp và thuật ngữ thứ hai mô tả downramp. Như bạn có thể thấy tần số chuyển đổi và chu kỳ nhiệm vụ đã được đơn giản hóa thành t_on và t_off. Chu kỳ nhiệm vụ chỉ phụ thuộc vào tỷ lệ giữa điện áp đầu ra so với điện áp đầu vào. Chu kỳ nhiệm vụ sẽ không thay đổi với tải khác nhau.

Mức độ tăng tốc và giảm tốc độ 'tốc độ' sẽ chỉ thay đổi nếu bạn thay đổi điện áp đầu vào / đầu ra, giá trị điện dẫn hoặc tần số chuyển mạch. Việc tăng tần số chuyển đổi sẽ giảm tần số lên và xuống, nhưng không phải lúc nào cũng có thể tăng tần số chuyển đổi (có thể bạn đã hoạt động tối đa). Các điện áp đầu vào / đầu ra không đổi, đó là ứng dụng bạn đang xử lý. Nếu bạn tăng cuộn cảm thì sự thay đổi dòng điện qua cuộn cảm sẽ giảm. Đó là công cụ duy nhất bạn có sẵn.

Tại sao điều này là một vấn đề? Chà, trong các dạng sóng tôi đã cho thấy bộ chuyển đổi đang chạy tốt. Dòng điện tối thiểu qua cuộn cảm không đạt đến không. Điều gì xảy ra nếu dòng điện trung bình giảm nhiều đến mức mà cuộn cảm đạt đến không?

Bộ chuyển đổi sẽ cần phải sử dụng đến chế độ không liên tục. Không phải tất cả các bộ chuyển đổi có thể làm điều này. Điều này đôi khi yêu cầu bộ chuyển đổi để bỏ qua chu kỳ. Nếu bộ chuyển đổi mở công tắc trong một khoảng thời gian tối thiểu, một lượng năng lượng nhất định sẽ được truyền. Điều này được lưu trữ trong các tụ điện, nhưng không được tiêu thụ đủ nhanh. Điều này sẽ ảnh hưởng đến điện áp đầu ra, làm cho bộ chuyển đổi không ổn định. Nếu bạn bỏ qua các chu kỳ, bộ chuyển đổi về cơ bản sẽ đợi trước khi điện áp đầu ra giảm đủ xa trước khi nó yêu cầu một chu kỳ khác.

Một cuộn cảm có giá trị cao hơn sẽ có nghĩa là dòng tối thiểu sẽ gần với dòng trung bình của bạn, có thể tránh hoạt động không liên tục. Điều này cũng ngụ ý lý do tại sao bạn tính toán cuộn cảm tối thiểu thông qua bảng dữ liệu. Bạn luôn có thể sử dụng một cuộn cảm lớn hơn, nhưng nhỏ hơn có thể gây ra sự cố khi tải thấp. Tuy nhiên, nếu SMPS cũng được thiết kế để cung cấp năng lượng cao trong các tình huống, thì cuộn cảm có thể quá cồng kềnh và đắt tiền ..

Một bộ chuyển đổi có khả năng chuyển sang chế độ không liên tục có khá nhiều rắc rối với điều này và bạn không phải trải qua điều này. MC34063 là một con chip khá cũ và chung chung, vì vậy nó khó hơn một chút.

Nếu bạn không thể lắp một cuộn cảm lớn hơn .. hãy tự tải tối thiểu.

Hãy nghĩ về điều ngược lại. Một cuộn cảm lớn hơn sẽ tích tụ dòng điện chậm hơn khi cùng một điện áp được đặt trên nó. Do đó, nếu bạn cần nhiều dòng điện, bạn phải sử dụng một cuộn cảm nhỏ hơn để xây dựng dòng điện nhanh hơn hoặc để công tắc bật lâu hơn để tích lũy thêm dòng điện.

Đối với dòng điện đầu ra nhỏ hơn, bạn không cần một cuộn cảm lớn hơn. Tuy nhiên, có một giới hạn về mức độ hợp lý để duy trì công tắc, vì vậy có một số tích lũy dòng tối thiểu trong cuộn cảm mỗi chu kỳ chuyển đổi. Dòng điện tối thiểu đó gây ra một số tăng điện áp tối thiểu trên đầu ra khi nó được đổ ở đó. Do đó, việc chuyển đổi nguồn cung cấp năng lượng được thiết kế cho dòng điện cao sẽ có điện áp gợn đầu ra lớn hơn so với những nguồn có thông số tối đa chặt chẽ hơn, tất cả những thứ khác đều bằng nhau.

Nếu Ripple đầu ra không phải là mối quan tâm lớn, bạn có thể sử dụng chế độ không liên tục với sơ đồ điều khiển theo yêu cầu và có được dòng điện trung bình ít như bạn muốn. Hầu hết các chip SMPS được thiết kế cho chế độ liên tục vì chúng sử dụng tần số cao để giảm kích thước cuộn cảm vật lý. Họ sẽ không đi sâu vào tất cả các sự đánh đổi trong thiết kế và sẽ đưa ra một số giả định về những gì bạn muốn các đặc tính đầu ra. Điều này thường là gợn thấp và phản ứng thoáng qua nhanh. Với những cân nhắc này, có một số phạm vi hiện tại hạn chế trong đó các đặc điểm sẽ là "tốt". Bằng cách chọn các tham số vừa đủ cho trường hợp hiện tại cao nhất, bạn cung cấp cho mình hiệu suất tốt xuống mức thấp hơn hiện tại.

Tải nhẹ hơn đòi hỏi nhiều điện cảm hơn để ở trong chế độ dẫn liên tục (CCM).

Phương trình ghi chú ứng dụng mà bạn giới thiệu đưa ra Lmin có độ tự cảm đặt bộ chuyển đổi lên ranh giới giữa CCM và chế độ dẫn không liên tục (DCM). Nếu bạn sử dụng dòng tải tối đa trong tính toán này, bộ chuyển đổi kết quả sẽ rơi vào DCM ở mức thấp hơn tải tối đa, trong đó động lực học của nó sẽ thay đổi . (Quy định DC sẽ vẫn tốt.) Thay vào đó, hãy tính toán độ tự cảm trên tải tối thiểu dự kiến, do đó bộ chuyển đổi vẫn ở CCM trong phạm vi tải.

Tôi đang ở trong một chiếc thuyền tương tự như bạn với con chip này. Từ những gì tôi hiểu (và để nhắc lại những gì đã nói ở trên), bạn muốn đặt dòng điện trung bình sao cho gợn sóng cực đại của bạn tới cực đại thông qua cuộn cảm luôn ở trên 0 ampe. Nếu bạn nhìn vào biểu đồ với dòng điện trung bình, điện áp và trạng thái chuyển đổi mà bạn muốn đảm bảo i_min không bao giờ có thể chạm 0. Để thực hiện điều này thu nhỏ gợn hiện tại của bạn và điều này sẽ cho phép dòng điện trung bình của bạn cũng giảm xuống .... gần 0 .