Pourquoi les charges plus petites nécessitent-elles des inducteurs plus grands dans les régulateurs abaisseurs?

La note d' application MC34063 répertorie l'équation pour le calcul de la taille minimale de l'inductance comme suit:

Mais cela implique qu'à mesure que I _pk (commutateur) (par exemple, le courant de commutation maximal) diminue, la taille minimale de l'inductance augmente. Ceci est soutenu par des calculatrices interactives comme celle-ci , qui montrent le même effet.

Pourquoi est-ce le cas, et cela implique-t-il que le régulateur ne fonctionnera comme conçu que s'il fonctionne à charge maximale, et j'ai donc besoin d'augmenter la taille de l'inductance si je veux gérer des charges plus petites?

Une explication plus théorique:

Le courant à travers l'inductance d'un SMPS est comme un triangle. Le courant moyen de ce triangle est égal à votre charge. La valeur crête à crête est déterminée par les différentes tensions d'entrée et de sortie, la fréquence de commutation, le rapport cyclique et l'inductance.

La première figure montre un convertisseur buck. La seconde montre les formes d'onde du convertisseur abaisseur. Il montre l'interrupteur S, la tension aux bornes de l'inductance et le courant à travers l'inductance. Lorsque l'interrupteur est fermé, la tension aux bornes de l'inductance est Vin-Vout. Lorsque l'interrupteur est ouvert, la tension aux bornes de l'inductance est de -Vout. La diode est supposée dans cet idéal et a donc une chute de tension nulle. Un convertisseur abaisseur a une règle que Vin> Vout, vous avez donc une tension positive «chargeant» l'inductance, et une tension négative «déchargeant» l'inductance. Le taux de variation du courant dépend de cette tension et de cette inductance. Si vous voulez une sortie stable, la montée doit être aussi «haute» que la descente. Sinon, vous obtenez une moyenne en baisse ou en hausse. Il y a un équilibre. En mathématiques, cela se résume à ceci:

Le premier terme de la formule décrit la montée et le second terme décrit la descente. Comme vous pouvez le voir, la fréquence de commutation et le rapport cyclique ont été simplifiés en t_on et t_off. Le rapport cyclique dépend uniquement du rapport entre la tension de sortie sur la tension d'entrée. Le rapport cyclique ne changera pas avec une charge variable.

Le niveau de la vitesse de montée et de descente ne changera que si vous modifiez les tensions d'entrée / sortie, la valeur de l'inductance ou la fréquence de commutation. L'augmentation de la fréquence de commutation réduira les montées et les descentes, mais il n'est pas toujours possible d'augmenter la fréquence de commutation (peut-être que vous travaillez déjà au maximum). Les tensions d'entrée / sortie doivent rester constantes, c'est l'application que vous traitez. Si vous augmentez l'inductance, le changement de courant dans l'inductance va chuter. C'est le seul outil dont vous disposez.

Pourquoi c'est un problème? Eh bien, dans les formes d'onde que j'ai montrées, le convertisseur fonctionne bien. Le courant minimum traversant l'inductance n'atteint pas zéro. Que se passe-t-il si le courant moyen chute tellement que l'inductance atteint zéro?

Le convertisseur devrait recourir au mode discontinu. Tous les convertisseurs ne peuvent pas le faire. Cela nécessite parfois que le convertisseur saute les cycles. Si le convertisseur ouvre l'interrupteur pendant un minimum de temps, une certaine quantité d'énergie est transférée. Ceci est stocké dans le condensateur, mais n'est pas consommé assez rapidement. Cela influencera la tension de sortie, ce qui rend le convertisseur instable. Si vous sautez des cycles, le convertisseur attend essentiellement que la tension de sortie baisse suffisamment avant de nécessiter un autre cycle.

Une inductance de valeur plus élevée signifie que le courant minimum se rapprochera de votre courant moyen, évitant éventuellement un fonctionnement discontinu. Cela implique également pourquoi vous calculez l'inductance minimale à travers les fiches techniques. Vous pouvez toujours utiliser une inductance plus grande, mais une plus petite peut entraîner des problèmes sur de faibles charges. Cependant, si le SMPS est également conçu pour fournir une puissance élevée dans des situations, l'inductance peut être trop volumineuse et coûteuse.

Un convertisseur capable de passer en mode discontinu est à peu près sans problème avec cela et vous n'avez pas à passer par là. Le MC34063 est une puce assez ancienne et générique, c'est donc un peu plus délicat.

Si vous ne pouvez pas installer un inducteur plus grand, ajoutez vous-même une charge minimale.

Pensez à l'inverse. Une inductance plus grande augmente le courant plus lentement lorsque la même tension est appliquée à travers elle. Par conséquent, si vous avez besoin de beaucoup de courant, vous devez utiliser un inducteur plus petit pour augmenter le courant plus rapidement, ou laisser l'interrupteur plus longtemps pour augmenter le courant.

Pour un courant de sortie plus petit, vous n'avez pas nécessairement besoin d' une inductance plus grande. Cependant, il y a une limite à la durée pendant laquelle il est raisonnable de maintenir l'interrupteur sous tension, il y a donc une accumulation de courant minimum dans l'inductance à chaque cycle de commutation. Ce courant minimum provoque une certaine augmentation de tension minimale sur la sortie lorsqu'elle y est déversée. Par conséquent, les alimentations à découpage conçues pour un courant élevé auront une tension d'ondulation de sortie plus grande que celles avec des spécifications maximales plus strictes, toutes choses étant égales par ailleurs.

Si l'ondulation de sortie n'est pas un gros problème, vous pouvez utiliser le mode discontinu avec un schéma de contrôle d'impulsion à la demande et obtenir aussi peu de courant moyen que vous le souhaitez. La plupart des puces SMPS sont conçues pour le mode continu car elles utilisent des hautes fréquences pour réduire la taille de l'inducteur physique. Ils n'entreront pas dans tous les compromis de conception et feront des hypothèses sur ce que vous voulez que les caractéristiques de sortie soient. Il s'agit généralement d'une faible ondulation et d'une réponse transitoire rapide. Avec ces considérations, il existe une plage de courant limitée où les caractéristiques seront "bonnes". En choisissant les paramètres juste assez pour le cas de courant le plus élevé, vous vous donnez de bonnes performances jusqu'aux niveaux de courant inférieurs.

Des charges plus légères nécessitent plus d'inductance pour rester en mode de conduction continue (CCM).

L'équation de note d'application que vous référez donne une inductance Lmin qui place le convertisseur à la frontière entre CCM et mode de conduction discontinue (DCM). Si vous utilisez le courant de charge maximale dans ce calcul, le convertisseur résultant tombera dans DCM à une valeur inférieure à la charge maximale, où sa dynamique changera . (La régulation CC restera bonne.) Au lieu de cela, basez le calcul de l'inductance sur la charge minimale prévue, de sorte que le convertisseur reste en CCM sur la plage de charge.

Je suis dans un bateau similaire à toi avec cette puce. D'après ce que je comprends (et pour répéter ce qui a été dit ci-dessus), vous souhaitez définir votre courant moyen de sorte que votre ondulation de courant de crête à crête à travers l'inductance soit toujours supérieure à 0 ampère. Si vous regardez le tableau avec le courant moyen, la tension et l'état du commutateur, vous voulez vous assurer que i_min ne peut jamais atteindre 0. Pour ce faire, réduisez votre ondulation actuelle et cela permettra également à votre courant moyen de baisser .... approchant 0 .