¿Por qué las cargas más pequeñas requieren inductores más grandes en los reguladores de inversión?

La nota de aplicación MC34063 enumera la ecuación para calcular el tamaño mínimo del inductor de la siguiente manera:

Pero esto implica que a medida que I _pk (interruptor) (por ejemplo, la corriente máxima del interruptor) disminuye, el tamaño mínimo del inductor aumenta. Esto está respaldado por calculadoras interactivas como esta , que muestran el mismo efecto.

¿Por qué es este el caso? ¿Implica que el regulador solo funcionará según lo diseñado si funciona con carga máxima y, por lo tanto, necesito aumentar el tamaño del inductor si quiero manejar cargas más pequeñas?

Una explicación más teórica:

La corriente a través del inductor de un SMPS es como un triángulo. La corriente promedio de este triángulo es igual a su carga. El valor pico a pico está determinado por los diversos voltajes de entrada y salida, frecuencia de conmutación, ciclo de trabajo e inductor.

La primera figura muestra un convertidor de dinero. El segundo muestra las formas de onda del convertidor buck. Muestra el interruptor S, el voltaje a través del inductor y la corriente a través del inductor. Cuando el interruptor está cerrado, el voltaje a través del inductor es Vin-Vout. Cuando el interruptor está abierto, el voltaje a través del inductor es -Vout. El diodo se supone en este ideal y por lo tanto tiene una caída de voltaje cero. Un convertidor reductor tiene una regla que Vin> Vout, por lo que tiene un voltaje positivo "cargando" el inductor y un voltaje negativo "descargando" el inductor. La tasa de cambio en la corriente depende de este voltaje e inductancia. Si desea una salida estable, la subida debería ser tan 'alta' como la bajada. De lo contrario, obtendrá un promedio descendente o ascendente. Hay un equilibrio. En matemáticas, esto se reduce a esto:

El primer término de la fórmula describe la rampa ascendente, y el segundo término describe la rampa descendente. Como puede ver, la frecuencia de conmutación y el ciclo de trabajo se han simplificado a t_on y t_off. El ciclo de trabajo solo depende de la relación entre el voltaje de salida sobre el voltaje de entrada. El ciclo de trabajo no cambiará con la carga variable.

El nivel de 'velocidad' de subida y bajada solo cambiará si cambia los voltajes de entrada / salida, el valor del inductor o la frecuencia de conmutación. El aumento de la frecuencia de conmutación reducirá las subidas y bajadas, pero no siempre es posible aumentar la frecuencia de conmutación (tal vez ya esté operando al máximo). Los voltajes de entrada / salida deben permanecer constantes, esa es la aplicación con la que está tratando. Si aumenta el inductor, entonces el cambio de corriente a través del inductor va a caer. Esa es la única herramienta que tienes disponible.

¿Por qué es esto un problema? Bueno, en las formas de onda que he mostrado, el convertidor está funcionando bien. La corriente mínima a través del inductor no llega a cero. ¿Qué sucede si la corriente promedio cae tanto que el inductor llega a cero?

El convertidor necesitaría recurrir al modo discontinuo. No todos los convertidores pueden hacer esto. Esto a veces requiere que el convertidor omita ciclos. Si el convertidor abre el interruptor por un tiempo mínimo, se transfiere una cierta cantidad de energía. Esto se almacena en el condensador, pero no se consume lo suficientemente rápido. Esto influirá en el voltaje de salida, lo que hace que el convertidor sea inestable. Si omite ciclos, el convertidor básicamente espera antes de que el voltaje de salida caiga lo suficiente antes de que requiera otro ciclo.

Un inductor de mayor valor significará que la corriente mínima se acercará a su corriente promedio, posiblemente evitando la operación discontinua. Esto también implica por qué calcula el inductor mínimo a través de las hojas de datos. Siempre puede usar un inductor más grande, pero más pequeño puede causar problemas con cargas bajas. Sin embargo, si el SMPS también está diseñado para proporcionar alta potencia en situaciones, el inductor puede ser demasiado voluminoso y costoso.

Un convertidor capaz de cambiar al modo discontinuo prácticamente no tiene problemas con esto y no tiene que pasar por esto. El MC34063 es un chip bastante antiguo y genérico, por lo que es un poco más complicado.

Si no puede instalar un inductor más grande ... agregue una carga mínima usted mismo.

Piensa en lo contrario. Un inductor más grande acumula corriente más lentamente cuando se aplica el mismo voltaje a través de él. Por lo tanto, si necesita mucha corriente, debe usar un inductor más pequeño para generar corriente más rápidamente, o dejar el interruptor encendido por más tiempo para generar más corriente.

Para una corriente de salida más pequeña, no necesita necesariamente un inductor más grande. Sin embargo, existe un límite en cuanto al tiempo que es razonable mantener el interruptor encendido, por lo que hay una acumulación mínima de corriente en el inductor en cada ciclo de interruptor. Esa corriente mínima causa un aumento mínimo de voltaje en la salida cuando se descarga allí. Por lo tanto, las fuentes de alimentación conmutadas diseñadas para alta corriente tendrán un voltaje de ondulación de salida mayor que aquellas con especificaciones máximas más estrictas, todo lo demás es igual.

Si la ondulación de salida no es una gran preocupación, puede usar el modo discontinuo con un esquema de control de pulso a demanda y obtener la corriente promedio tan baja como desee. La mayoría de los chips SMPS están diseñados para el modo continuo, ya que usan alta frecuencia para mantener el tamaño del inductor físico bajo. No van a entrar en todas las compensaciones de diseño, y harán algunas suposiciones sobre cuáles desea que sean las características de salida. Esto suele ser baja ondulación y respuesta transitoria rápida. Con estas consideraciones, hay un rango de corriente limitado donde las características serán "buenas". Al elegir los parámetros suficientes para el caso actual más alto, se obtiene un buen rendimiento hasta los niveles de corriente más bajos.

Las cargas más ligeras requieren más inductancia para permanecer en modo de conducción continua (CCM).

La ecuación de la nota de aplicación que ref le da una inductancia Lmin que coloca el convertidor en el límite entre CCM y el modo de conducción discontinua (DCM). Si utiliza la corriente de carga máxima en este cálculo, el convertidor resultante caerá en DCM a una carga inferior a la carga máxima, donde su dinámica cambiará . (La regulación de CC seguirá siendo buena). En cambio, base el cálculo de inductancia en la carga mínima anticipada, de modo que el convertidor permanezca en CCM sobre el rango de carga.

Estoy en un barco similar al tuyo con este chip. Por lo que entiendo (y para reiterar lo que se ha dicho anteriormente), desea establecer su corriente promedio de tal manera que su rizado de corriente pico a pico a través del inductor esté siempre por encima de 0 amperios. Si observa la tabla con la corriente promedio, el voltaje y el estado del interruptor, desea asegurarse de que i_min nunca pueda alcanzar 0. Para lograr esto, reduzca su onda actual y esto permitirá que su corriente promedio disminuya también ... acercándose a 0 .