Escolhendo valores de indutor para etapa

Um conversor buck, também chamado de conversor abaixador, é um regulador de tensão de modo comutado que converte com eficiência uma tensão de entrada CC em uma tensão de saída CC mais baixa. Nesta série de artigos, estamos usando o LTspice para investigar o comportamento elétrico de um conversor de tensão comutado. Este artigo começará a explorar as tarefas de projeto e as compensações relativas ao indutor do circuito.

O esquema LTspice mostrado na Figura 1 nos permitirá simular o estágio de potência de um conversor Buck. Para ser um conversor completo, precisaríamos adicionar um circuito de controle de realimentação para regular a tensão.

Uma nota de aplicação da Texas Instruments fornece a seguinte equação para calcular o tamanho do indutor:

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Cada um desses termos requer alguma explicação:

VOTO: Esta é a tensão de saída regulada para a qual você deseja projetar. Você pode acabar usando seu regulador com uma tensão de saída maior ou menor, e tudo bem, mas se você fizer uma grande mudança na tensão de saída, o conversor poderá se beneficiar de um novo valor de indutância.

VIN:Da mesma forma, muitas vezes esperamos que um regulador de comutação tolere uma faixa de tensões de entrada; portanto, se o seu VIN não for fixo, você poderá escolher um valor em algum lugar no meio da faixa.

fS (frequência de comutação): Você deve pensar na frequência de comutação antes de calcular o valor da indutância. Algo entre 200 kHz e 2 MHz é um ponto de partida razoável. Se você quiser alguma orientação sobre se deve favorecer o limite inferior ou superior dessa faixa, dê uma olhada no meu artigo intitulado Como escolher a frequência do seu regulador de comutação.

ΔIL:Isso denota a ondulação da corrente do indutor, ou seja, a variação pico a pico na corrente do indutor, conforme ilustrado na Figura 2.

Em resposta à ação liga/desliga do elemento de comutação, a corrente do indutor em um conversor Buck aumenta e diminui, estendendo-se acima e abaixo da corrente de carga (que é o valor médio da corrente do indutor). A magnitude desses desvios é expressa como ondulação da corrente do indutor (ΔIL).

Se expressarmos a ondulação da corrente (CR) como uma porcentagem da corrente de carga esperada, a especificação CR recomendada é de 30%. Isso significa que a corrente máxima do indutor está 15% acima da corrente de carga esperada e a corrente mínima do indutor está 15% abaixo da corrente de carga esperada.

Você pode ver termos como “corrente de carga máxima” ou “corrente de carga total” em vez de “corrente de carga esperada”. Interpreto tudo isso como significando a corrente de carga mais alta que o regulador precisará fornecer a longo prazo. Eu não consideraria correntes transitórias excepcionalmente altas ao definir um alvo ΔIL.

Vamos trabalhar com um exemplo de dimensionamento de indutor. Alteraremos vários parâmetros no meu circuito LTspice para que possamos realmente fazer algo novo aqui.

Vamos imaginar que nosso objetivo seja aceitar uma tensão de sistema razoavelmente alta e gerar um trilho de tensão adequado para um sistema embarcado de sinal misto e de baixa potência. Diremos que nossa tensão nominal de entrada é 24 V e nossa tensão de saída desejada é 3,3 V. A corrente de carga esperada é 70 mA.

Um regulador de comutação é preferido para este tipo de aplicação porque o grande diferencial de entrada para saída apenas intensificaria a ineficiência inerente de um regulador linear.

Como alimentaremos alguns circuitos analógicos, quero reduzir a ondulação na tensão de saída. Além disso, optarei por uma frequência de comutação mais alta – digamos 1,5 MHz – porque frequências de comutação mais altas ajudam a reduzir a ondulação de saída.

Também precisamos escolher um ciclo de trabalho inicial. Para isso, podemos usar o ciclo de trabalho máximo que o circuito precisará para a tensão de entrada e saída especificada, e calculamos o ciclo de trabalho máximo da seguinte forma:

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{eficiência}}$$

Uma aproximação razoável para eficiência é 90%, então nosso ciclo de trabalho máximo é de cerca de 15%: