Почему для меньших нагрузок требуются более крупные катушки индуктивности в понижающих регуляторах?

Более теоретическое объяснение:

Ток через индуктор SMPS подобен треугольнику. Средний ток этого треугольника равен вашей нагрузке. Значение размаха определяется различными входными и выходными напряжениями, частотой переключения, рабочим циклом и катушкой индуктивности.

На первом рисунке показан понижающий преобразователь. На втором показаны осциллограммы понижающего преобразователя. Он показывает переключатель S, напряжение на катушке индуктивности и ток через катушку индуктивности. Когда ключ замкнут, напряжение на катушке индуктивности равно Vin-Vout. Когда ключ разомкнут, напряжение на катушке индуктивности равно -Vвых. Диод предполагается в этом идеале и поэтому имеет нулевое падение напряжения. Понижающий преобразователь имеет правило, что 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 вам нужен стабильный выходной сигнал, нарастание должно быть таким же «высоким», как и спад. В противном случае вы получите падающее или растущее среднее значение. Есть равновесие. В математике это сводится к следующему:

Первый член формулы описывает рампу вверх, а второй член описывает рампу вниз. Как видите, частота переключения и рабочий цикл были упрощены до t_on и t_off. Рабочий цикл зависит только от соотношения между выходным напряжением и входным напряжением. Рабочий цикл не изменится при изменении нагрузки.

Уровень «скорости» повышения и понижения будет меняться только в том случае, если вы измените входное/выходное напряжение, значение дросселя или частоту переключения. Увеличение частоты коммутации снизит рампы вверх и вниз, но увеличить частоту коммутации не всегда возможно (возможно, вы уже работаете на максимуме). Входные/выходные напряжения должны оставаться постоянными, это приложение, с которым вы имеете дело. Если вы увеличите индуктор, то изменение тока через индуктор упадет. Это единственный инструмент, который у вас есть.

Почему это проблема? Что ж, на осциллограммах, которые я показал, преобразователь работает нормально. Минимальный ток через дроссель не достигает нуля. Что произойдет, если средний ток упадет настолько, что катушка индуктивности достигнет нуля?

Преобразователь должен будет прибегнуть к прерывистому режиму. Не все преобразователи могут это сделать. Это иногда требует, чтобы преобразователь пропускал циклы. Если преобразователь размыкает выключатель на минимальное время, передается определенное количество энергии. Он хранится в конденсаторе, но расходуется недостаточно быстро. Это повлияет на выходное напряжение, что сделает преобразователь нестабильным. Если вы пропускаете циклы, преобразователь в основном ждет, пока выходное напряжение не упадет достаточно далеко, прежде чем потребуется еще один цикл.

Катушка индуктивности с более высоким значением будет означать, что минимальный ток будет ближе к вашему среднему току, что, возможно, позволит избежать прерывистой работы. Это также подразумевает, почему вы рассчитываете минимальную катушку индуктивности по таблицам данных. Вы всегда можете использовать индуктор большего размера, но меньший размер 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 не имеет проблем с этим, и вам не нужно проходить через это. MC34063 — довольно старый и универсальный чип, поэтому с ним немного сложнее.

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

Подумайте об обратном. Катушка индуктивности большего размера создает ток медленнее, когда на нее подается одинаковое напряжение. Поэтому, если вам нужен большой ток, вы должны использовать катушку индуктивности меньшего размера для более быстрого создания тока или оставить переключатель включенным дольше, чтобы создать больший ток.

Для меньшего выходного тока вам не обязательно нужен индуктор большего размера. Однако существует ограничение на то, насколько короткое время разумно держать переключатель включенным, поэтому в катушке индуктивности возникает некоторое минимальное нарастание тока при каждом цикле переключения. Этот минимальный ток вызывает некоторое минимальное увеличение напряжения на выходе, когда он там сбрасывается. Следовательно, импульсные источники питания, рассчитанные на большой ток, будут иметь большее выходное напряжение пульсаций, чем источники с более жесткими максимальными характеристиками, при прочих равных условиях.

Если выходная пульсация не является большой проблемой, вы можете использовать прерывистый режим со схемой управления импульсом по требованию и получить как можно меньше среднего тока, как вы хотите. Большинство микросхем SMPS предназначены для непрерывного режима, поскольку они используют высокую частоту для уменьшения физического размера катушки индуктивности. Они не будут вдаваться во все компромиссы при проектировании и сделают некоторые предположения о том, какими должны быть выходные характеристики. Обычно это низкие пульсации и быстрая переходная характеристика. С учетом этих соображений существует некоторый ограниченный диапазон тока, в котором характеристики будут «хорошими». Выбирая параметры, достаточные только для случая с самым высоким током, вы обеспечиваете себе хорошую производительность вплоть до более низких уровней тока.

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

Уравнение примечания к приложению, на которое вы ссылаетесь, дает индуктивность Lmin, которая ставит преобразователь на границу между CCM и режимом прерывистой проводимости (DCM). Если вы используете максимальный ток нагрузки в этом расчете, результирующий преобразователь упадет в DCM при любой нагрузке, меньшей, чем максимальная нагрузка, где его динамика изменится . (Регулирование постоянного тока останется хорошим.) Вместо этого основывайте расчет индуктивности на ожидаемой минимальной нагрузке, чтобы преобразователь оставался в режиме CCM во всем диапазоне нагрузки.

Я в той же лодке, что и вы, с этим чипом. Из того, что я понимаю (и повторю то, что было сказано выше), вы хотите установить свой средний ток таким образом, чтобы ваши пиковые пульсации тока через индуктор всегда были выше 0 ампер. Если вы посмотрите на диаграмму со средним током, напряжением и состоянием переключателя, вы хотите убедиться, что i_min никогда не достигнет 0. Для этого уменьшите пульсации тока, и это также позволит вашему среднему току снизиться .... приближаясь к 0 .