Warum erfordern kleinere Lasten größere Induktivitäten in Abwärtsreglern?

In der MC34063 Application Note ist die Gleichung zur Berechnung der minimalen Induktorgröße wie folgt aufgeführt:

Dies impliziert jedoch, dass mit _abnehmendem I _pk (Schalter) (z. B. dem maximalen Schalterstrom) die minimale Induktorgröße zunimmt. Dies wird durch interaktive Taschenrechner wie diesen gesichert , die den gleichen Effekt zeigen.

Warum ist dies der Fall und impliziert dies, dass der Regler nur bei Spitzenlast wie vorgesehen arbeitet und ich daher die Induktivität vergrößern muss, wenn ich kleinere Lasten handhaben möchte?

Eine theoretischere Erklärung:

Der Strom durch die Induktivität eines SMPS ist wie ein Dreieck. Der durchschnittliche Strom dieses Dreiecks entspricht Ihrer Last. Der Spitze-Spitze-Wert wird durch die verschiedenen Eingangs- und Ausgangsspannungen, die Schaltfrequenz, das Tastverhältnis und die Induktivität bestimmt.

Die erste Abbildung zeigt einen Abwärtswandler. Die zweite zeigt die Wellenformen des Tiefsetzstellers. Es zeigt den Schalter S, die Spannung an der Induktivität und den Strom durch die Induktivität. Wenn der Schalter geschlossen ist, beträgt die Spannung am Induktor Vin-Vout. Wenn der Schalter offen ist, beträgt die Spannung an der Induktivität -Vout. Die Diode wird in diesem Idealfall angenommen und hat daher keinen Spannungsabfall. Ein Abwärtswandler hat die Regel, dass Vin> Vout, so dass Sie eine positive Spannung haben, die die Induktivität "lädt", und eine negative Spannung, die die Induktivität "entlädt". Die Stromänderungsrate ist abhängig von dieser Spannung und Induktivität. Wenn Sie eine stabile Ausgabe wünschen, sollte die Aufwärtsrampe so hoch sein wie die Abwärtsrampe. Andernfalls erhalten Sie einen fallenden oder steigenden Durchschnitt. Es herrscht ein Gleichgewicht. In der Mathematik läuft das auf Folgendes hinaus:

Der erste Term der Formel beschreibt den Anstieg und der zweite Term beschreibt den Abfall. Wie Sie sehen, wurden die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis auf t_on und t_off vereinfacht. Das Tastverhältnis ist nur vom Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung abhängig. Der Arbeitszyklus ändert sich nicht mit variierender Last.

Der Pegel der Upramp- und Downramp-Geschwindigkeit ändert sich nur, wenn Sie die Eingangs- / Ausgangsspannungen, den Induktivitätswert oder die Schaltfrequenz ändern. Durch Erhöhen der Schaltfrequenz werden die Aufwärts- und Abwärtsrampen verringert, es ist jedoch nicht immer möglich, die Schaltfrequenz zu erhöhen (möglicherweise arbeiten Sie bereits mit maximaler Geschwindigkeit). Die Eingangs- / Ausgangsspannungen sollen konstant bleiben, das ist die Anwendung, mit der Sie es zu tun haben. Wenn Sie die Induktivität erhöhen, sinkt die Stromänderung durch die Induktivität. Dies ist das einzige verfügbare Tool.

Warum ist das ein Problem? Nun, in den Wellenformen, die ich gezeigt habe, läuft der Konverter gut. Der minimale Strom durch die Induktivität erreicht nicht Null. Was passiert, wenn der Durchschnittsstrom so stark abfällt, dass die Induktivität Null erreicht?

Der Konverter müsste auf den diskontinuierlichen Modus zurückgreifen. Das können nicht alle Konverter. Dies erfordert manchmal, dass der Konverter Zyklen überspringt. Wenn der Umrichter den Schalter für eine minimale Zeitspanne öffnet, wird eine bestimmte Energiemenge übertragen. Dieses wird im Kondensator gespeichert, aber nicht schnell genug verbraucht. Dies beeinflusst die Ausgangsspannung, wodurch der Wandler instabil wird. Wenn Sie Zyklen überspringen, wartet der Konverter im Wesentlichen, bis die Ausgangsspannung weit genug abfällt, bevor er einen weiteren Zyklus benötigt.

Eine Induktivität mit höherem Wert bedeutet, dass der Mindeststrom näher an Ihrem Durchschnittsstrom liegt, wodurch möglicherweise ein diskontinuierlicher Betrieb vermieden wird. Dies impliziert auch, warum Sie die minimale Induktivität anhand der Datenblätter berechnen. Sie können immer einen größeren Induktor verwenden, aber kleinere können Probleme bei niedrigen Lasten verursachen. Wenn das SMPS jedoch in bestimmten Situationen auch für hohe Leistung ausgelegt ist, ist der Induktor möglicherweise zu sperrig und zu teuer.

Ein Konverter, der in der Lage ist, in den diskontinuierlichen Modus umzuschalten, ist damit ziemlich störungsfrei, und Sie müssen dies nicht durchlaufen. Der MC34063 ist ein ziemlich alter und generischer Chip, daher ist er etwas kniffliger.

Wenn Sie keinen größeren Induktor einsetzen können, fügen Sie selbst eine Mindestlast hinzu.

Denken Sie an das Gegenteil. Eine größere Induktivität baut den Strom langsamer auf, wenn dieselbe Spannung an sie angelegt wird. Wenn Sie daher viel Strom benötigen, müssen Sie eine kleinere Induktivität verwenden, um den Strom schneller aufzubauen, oder den Schalter länger eingeschaltet lassen, um mehr Strom aufzubauen.

Für einen kleineren Ausgangsstrom benötigen Sie nicht unbedingt eine größere Induktivität. Es gibt jedoch eine Begrenzung, wie kurz es sinnvoll ist, den Schalter eingeschaltet zu halten, sodass sich in jedem Schaltzyklus ein Mindeststrom im Induktor aufbaut. Dieser minimale Strom verursacht eine minimale Spannungserhöhung am Ausgang, wenn er dort abgeladen wird. Daher weisen Schaltnetzteile, die für hohe Ströme ausgelegt sind, eine größere Ausgangswelligkeitsspannung auf als solche mit engeren maximalen Spezifikationen, wobei alle anderen Werte gleich sind.

Wenn die Welligkeit des Ausgangs keine große Rolle spielt, können Sie den diskontinuierlichen Modus mit einem Impuls-bei-Bedarf-Steuerungsschema verwenden und so wenig Durchschnittsstrom erhalten, wie Sie möchten. Die meisten SMPS-Chips sind für den Dauerbetrieb ausgelegt, da sie Hochfrequenz verwenden, um die Größe der physischen Induktionsspule niedrig zu halten. Sie werden nicht alle Design-Kompromisse eingehen und eine Vermutung darüber anstellen, wie die Ausgabeeigenschaften lauten sollen. Dies ist normalerweise eine geringe Welligkeit und ein schnelles Einschwingverhalten. Mit diesen Überlegungen gibt es einen begrenzten Strombereich, in dem die Eigenschaften "gut" sind. Durch die Auswahl von Parametern, die gerade für den Fall mit der höchsten Stromstärke ausreichen, erzielen Sie eine gute Leistung bis in die unteren Stromstärken.

Bei leichteren Lasten ist eine höhere Induktivität erforderlich, um im Dauerleitungsmodus (CCM) zu bleiben.

Die App-Note-Gleichung, auf die Sie verweisen, gibt eine Induktivität Lmin an, die den Wandler an die Grenze zwischen CCM und DCM (Discontinuous Conduction Mode) setzt. Wenn Sie in dieser Berechnung den maximalen Laststrom verwenden, fällt der resultierende Umrichter bei einer geringeren als der maximalen Last in DCM ab, wobei sich seine Dynamik ändert . (Die Gleichstromregelung bleibt weiterhin gut.) Richten Sie die Induktivitätsberechnung stattdessen nach der erwarteten Mindestlast, damit der Umrichter über den Lastbereich im CCM bleibt.

Ich bin in einem ähnlichen Boot wie Sie mit diesem Chip. Nach meinem Verständnis (und um zu wiederholen, was oben gesagt wurde) möchten Sie Ihren Durchschnittsstrom so einstellen, dass Ihre Welligkeit von Spitze zu Spitze durch den Induktor immer über 0 Ampere liegt. Wenn Sie sich das Diagramm mit Durchschnittsstrom, Spannung und Schaltzustand ansehen, möchten Sie sicherstellen, dass i_min niemals 0 erreichen kann. Um dies zu erreichen, verringern Sie die Stromwelligkeit und dies ermöglicht es Ihnen, dass auch Ihr Durchschnittsstrom gegen 0 geht .