Como seleciono o valor correto do indutor para o seguinte regulador de buck?

Antes de tudo, sou um pouco tímido em matemática e não sou um gênio da eletrônica, então o que faço é para me divertir e aprender.

Estou trabalhando em um circuito conversor buck para converter meu USB Vbus 5V para 3.3V. Selecionei o AP5100 e acho bastante desafiador descobrir os valores corretos em alguns componentes.

A folha de dados especifica com precisão os valores para R1 (49,9kΩ) e R2 (16,2kΩ) na Tabela 1 na página 6, para estabelecer uma tensão de saída de 3,3V, mas estou achando um tremendo tremor entender como calcular o valor da indutância para o indutor L1. A folha de dados indica 3,3µH na página 2, Figura 3:

Estou querendo entender melhor como os 3,3µH foram calculados e se esse é realmente o valor correto para minha aplicação.

Agora, de volta à folha de dados, a fórmula para calcular L é declarada como:

Onde ΔIL é a corrente de ondulação do indutor e fSW é a frequência de comutação do conversor buck.

A folha de dados declara:

Escolha a corrente de ondulação do indutor para ser 30% da corrente de carga máxima. A corrente máxima de pico do indutor é calculada a partir de:

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

Tudo bem, é aqui que estou terrivelmente perdido, e tentando o meu melhor para envolver meu cérebro minúsculo em torno do valor.

Eu sei o seguinte:

• Vin = 5V (USB Vbus)
• Vout = 3.3V
• fSW = 1.4MHz
• I = 2.4A (acho)

Como se determina o ΔIL (corrente de ondulação) para obter o valor do indutor?

Minha fórmula deve ficar assim no final, certo?

Mas o que é ΔIL?

Também pensei que o conversor buck deveria permitir uma variedade de entradas para Vin, no caso deste, de 4,75V a 24V?

Aqui está o meu esquema que estou desenhando no Eagle CAD:

A escolha de um valor de indutor para um regulador buck vem diretamente de V = $\frac{\text{L di} }{\text{dt}}$ . Onde V é a tensão através do indutor ei é a corrente através dele. Primeiro, você deseja projetar para o caso em que o indutor está no modo de condução contínua (CCM). Isso significa que a energia no indutor não se esgota durante o ciclo de comutação. Portanto, existem dois estados, um em que a chave está ligada e outro em que a chave está desligada (e o retificador está ligado). A tensão no indutor durante cada estado é essencialmente uma constante (embora seja um valor diferente para cada estado). De qualquer forma, como a tensão é constante, a equação do indutor pode ser linearizada (e reorganizada para dar L).

• L = $\frac{V \text{$\Delta $t}}{\text{$\Delta $I}}$ esta é a base para a equação que você viu na nota de aplicativo.

• $\text {$\Delta $I}$ é algo que você define, não determina.

Você deseja manter a operação do CCM, portanto defina como uma pequena fração da corrente do indutor (I). Uma boa escolha é 10% de I. Portanto, para o seu caso Δ$\text {$\Delta $I}$$\text {$\Delta $I}$ seria 0,24A. Isso também definirá a corrente de ondulação nos capacitores de saída e menos corrente de ondulação significa menos tensão de ondulação na saída.

Agora você pode escolher um valor ideal de L usando e V o (e, portanto, o ciclo de trabalho D = V $V_{\text{in}}$$V_o$$\frac {V_o} {V_ {\text {in}}}$$V_{\text{in}}$$\frac{10 V_o}{I_o F_{\text{sw}}}$

Como você está olhando para a Linear Tech, você deve (como apontou Anindo Ghosh) também usar o suporte a CAD.

Para projetar um circuito de regulamentação de baixo custo, talvez seja melhor começar com uma das várias ferramentas gratuitas de design de energia on - line nos sites dos fabricantes, como:

• Fairchild Semiconductor: Fonte de alimentação WebDesigner
• Tecnologia Linear: LTPowerCAD
• Texas Instruments: WeBench Power Designer e SwitcherPro Design Tool

Ao fornecer seus requisitos (incluindo ondulação aceitável, por exemplo) como parâmetros, a ferramenta normalmente seleciona um conjunto de controladores que atendem ao objetivo. Essa geralmente é uma abordagem mais segura do que começar com um controlador já decidido e tentar desviar-se dos valores especificados na folha de dados para componentes de suporte.

Muitas das ferramentas gratuitas "power designer" mencionadas fornecem uma lista completa de materiais como saída - incluindo o (s) indutor (es) necessário (s), geralmente com números de peça.

Alguns (por exemplo, o TI WeBench) também fornecem o layout recomendado e as estimativas de espaço de placa necessárias. Algumas ferramentas permitem ainda o espaço desejado na placa como parâmetro de projeto, como também contagem de componentes, custo e outras preferências.

Pode ajudar a entender o que acontece se você selecionar um indutor com o valor errado .

Se você selecionar um indutor com um valor muito baixo, a corrente através dele mudará muito em cada período de comutação. A corrente pode crescer tanto em um período de comutação que excede a capacidade atual do circuito que aciona o indutor. Essa alta corrente de ondulação também não é boa para o capacitor no lado da saída. As perdas de ESR no capacitor serão altas ou a corrente de ondulação excederá a classificação do capacitor e falhará.

Se você selecionar um indutor com um valor muito grande, estará pagando por muito indutor que não precisa. Indutores com núcleo têm uma corrente de saturação. Essa é a corrente na qual o núcleo não aguenta mais fluxo magnético, e o indutor deixa de ser um indutor com um núcleo e passa a ser quase um fio. Para um determinado núcleo de um determinado tamanho e material, você pode criar um indutor com maior indutância simplesmente colocando mais voltas de fio em torno dele. Porém, cada uma dessas voltas contribui com mais fluxo magnético; portanto, ao adicionar mais voltas, você também diminui a corrente de saturação do indutor, pois sua corrente será multiplicada pelo número de voltas de fio para chegar ao fluxo magnético através do indutor . Portanto, se você deseja uma indutância mais alta na mesma corrente de saturação, precisa de um núcleo fisicamente maior.

Deixarei uma explicação da matemática para outra resposta. Eu não sou o melhor nessas coisas.

Como se determina o ΔIL (corrente de ondulação) para obter o valor do indutor?

Use a regra geral fornecida pelo fabricante do chip (selecione um valor igual a 30% da sua corrente máxima de saída DC esperada). Além disso, há uma observação na página 8 que diz "Um indutor de 1 μH a 10 μH com uma corrente nominal de corrente contínua de pelo menos 25% por cento maior que a corrente máxima de carga é recomendado para a maioria das aplicações".

I = 2.4A (acho)

No entanto, parece que você não tem certeza de qual é a sua corrente máxima de saída DC esperada.

Dê uma olhada nesta forma de onda descaradamente emprestada da Wikipedia:

A corrente do indutor é mostrada na parte inferior. A magnitude das rampas é definida por

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

Você define seu indutor pelo tamanho das rampas: ou seja, escolhendo um valor que seja 30% da corrente de saída CC máxima esperada ($I_{av}$na forma de onda). É por isso que é importante conhecer a corrente máxima de saída DC esperada antes de tentar escolher o indutor.

Lembre-se também de que esta parte possui compensação de erro interno do amplificador, o que colocará restrições no filtro LC de saída (não se desvie da faixa de indutância, a menos que você tenha equipamento para medir a resposta de freqüência em circuito fechado do conversor).