Почему меньшие нагрузки требуют больших индукторов в стабилизаторах напряжения?

В Замечании по применению MC34063 приведено следующее уравнение для расчета минимального размера индуктора:

Но это означает, что по мере того, как I _pk (переключатель) (например, максимальный ток переключения) уменьшается, минимальный размер индуктора увеличивается. Это подтверждается интерактивными калькуляторами, такими как этот , которые показывают тот же эффект.

Почему это так, и означает ли это, что регулятор будет работать только так, как задумано, если он работает при пиковой нагрузке, и, таким образом, мне нужно увеличить размер индуктора, если я хочу справиться с меньшими нагрузками?

Более теоретическое объяснение:

Ток, проходящий через индуктор SMPS, похож на треугольник. Средний ток этого треугольника равен вашей нагрузке. Пиковое значение определяется различными входными и выходными напряжениями, частотой переключения, рабочим циклом и индуктивностью.

На первом рисунке показан конвертер доллара. На втором изображены формы волны преобразователя доллара. Он показывает переключатель S, напряжение на катушке индуктивности и ток через катушку индуктивности. Когда переключатель замкнут, напряжение на индуктивности равно Vin-Vout. Когда переключатель разомкнут, напряжение на катушке индуктивности составляет -Vout. Диод принят в этом идеале и поэтому имеет нулевое падение напряжения. У понижающего преобразователя есть правило Vin> Vout, поэтому у вас есть положительное напряжение, «заряжающее» индуктор, и отрицательное напряжение, «разряжающее» индуктор. Скорость изменения тока зависит от этого напряжения и индуктивности. Если вы хотите стабильный выходной сигнал, увеличение должно быть таким же высоким, как и уменьшение. В противном случае вы получите падение или повышение среднего. Существует равновесие. В математике это сводится к следующему:

Первый член формулы описывает увеличение, а второй член описывает уменьшение. Как видите, частота переключения и коэффициент заполнения были упрощены до t_on и t_off. Рабочий цикл зависит только от соотношения между выходным напряжением и входным напряжением. Рабочий цикл не будет меняться при различной нагрузке.

Уровень повышающей и понижающей «скорости» будет изменяться только при изменении входных / выходных напряжений, значения индуктора или частоты переключения. Увеличение частоты переключения приведет к уменьшению повышающей и понижающей частоты, но не всегда возможно увеличить частоту переключения (возможно, вы уже работаете на максимуме). Напряжения ввода / вывода должны оставаться постоянными, это приложение, с которым вы имеете дело. Если вы увеличите индуктор, то изменение тока через индуктор будет падать. Это единственный инструмент, который у вас есть.

Почему это проблема? Ну, в сигналах, которые я показал, конвертер работает нормально. Минимальный ток через индуктор не достигает нуля. Что произойдет, если средний ток упадет так сильно, что индуктор достигнет нуля?

Преобразователь должен будет прибегнуть к прерывистому режиму. Не все конвертеры могут сделать это. Иногда требуется, чтобы преобразователь пропускал циклы. Если преобразователь размыкает переключатель в течение минимального времени, передается определенное количество энергии. Это хранится в конденсаторе, но не потребляется достаточно быстро. Это повлияет на выходное напряжение, что сделает преобразователь нестабильным. Если вы пропустите циклы, преобразователь в основном ждет, пока выходное напряжение не упадет достаточно далеко, прежде чем потребуется еще один цикл.

Индуктор с более высоким значением будет означать, что минимальный ток будет ближе к вашему среднему току, возможно, избегая прерывистой работы. Это также подразумевает, почему вы рассчитываете минимальную индуктивность через таблицы данных. Вы всегда можете использовать индуктор большего размера, но меньший может вызвать проблемы при низких нагрузках. Однако, если SMPS также предназначен для обеспечения высокой мощности в ситуациях, индуктор может быть слишком громоздким и дорогим.

Преобразователь, способный переключаться в прерывистый режим, практически без проблем с этим, и вам не нужно проходить через это. MC34063 - довольно старый и универсальный чип, поэтому он немного сложнее.

Если вы не можете установить индуктор большего размера, добавьте минимальную нагрузку самостоятельно.

Подумай об обратном. Индуктор большего размера создает ток медленнее, когда на него подается то же напряжение. Поэтому, если вам нужен большой ток, вы должны использовать меньшую катушку индуктивности, чтобы увеличить ток быстрее, или оставить переключатель включенным дольше, чтобы увеличить ток.

Для меньшего выходного тока вам не обязательно нужен индуктор большего размера. Тем не менее, существует ограничение на то, насколько коротким является разумным держать выключатель, поэтому существует минимальное накопление тока в индуктивности в каждом цикле переключения. Этот минимальный ток вызывает некоторое минимальное увеличение напряжения на выходе при его сбросе. Следовательно, импульсные источники питания, рассчитанные на высокий ток, будут иметь более высокое выходное пульсационное напряжение, чем источники с более жесткими максимальными характеристиками, при прочих равных условиях.

Если пульсация выходного сигнала не представляет большой проблемы, вы можете использовать прерывистый режим со схемой управления импульсом по требованию и получать как можно меньше среднего тока. Большинство микросхем SMPS предназначены для непрерывного режима, поскольку они используют высокую частоту, чтобы уменьшить размер физического индуктора. Они не собираются вдаваться во все компромиссные решения и сделают некоторые предположения о том, какими должны быть выходные характеристики. Обычно это низкая пульсация и быстрый переходный процесс. С учетом этих соображений существует ограниченный диапазон тока, где характеристики будут «хорошими». Выбирая параметры, достаточные для случая с наибольшим током, вы даете себе хорошую производительность вплоть до более низких уровней тока.

Более легкие нагрузки требуют большей индуктивности, чтобы оставаться в режиме непрерывной проводимости (CCM).

Ссылка на приложение, которое вы определили, дает индуктивность Lmin, которая помещает преобразователь на границу между CCM и режимом прерывистой проводимости (DCM). Если вы используете максимальный ток нагрузки в этом расчете, результирующий преобразователь перейдет в DCM при любой нагрузке меньше максимальной нагрузки, где его динамика изменится . (Регулирование постоянного тока останется хорошим.) Вместо этого основывайте расчет индуктивности на ожидаемой минимальной нагрузке, чтобы преобразователь оставался в CCM во всем диапазоне нагрузки.

Я в той же лодке, что и ты, с этим чипом. Из того, что я понимаю (и чтобы повторить сказанное выше), вы хотите установить свой средний ток таким образом, чтобы максимальная пульсация тока через индуктор всегда была выше 0 ампер. Если вы посмотрите на график со средним током, напряжением и состоянием переключателя, вы хотите убедиться, что i_min никогда не сможет достичь 0. Для этого уменьшите вашу пульсацию тока, и это также позволит снизить ваш средний ток .... приближается к 0 ,