Abwärtswandler-Kondensator- und Induktor-Eigenschaften

Ihre Induktivität ist 6 uH? Das Datenblatt sagt uns, dass die max. Frequenz 100 kHz beträgt und der Spitzenausgangsstrom im Schalter 1,5 A beträgt.

Wie funktioniert der Bock? Während der "Ein"-Zeit wird Energie in der Induktivität gespeichert, und während der anschließenden "Aus"-Zeit wird diese Energie in die Last abgegeben (sie wird mit Strom versorgt, während der Eingang effektiv getrennt ist).

Nehmen wir an, Sie haben 50 kHz als Schaltfrequenz gewählt. Das heißt bei 100% „Duty Cycle“ steht der Schalter auf „20“ μs. 100 % sind nicht realistisch – wählen wir einen sehr großzügigen Arbeitszyklus von 90 % . Dann versorgt der Schalter den Induktor jede Sekunde für 50.000 Bursts von jeweils 18 μs (wobei 18 = 90 % von 20).

Die in einem Induktor gespeicherte Energie beträgt 0,5 L I². Nehmen wir an, Sie arbeiten auf dem "Maximalwert" und der Schalter liefert beim Ausschalten 1,5 A (Datenblattmaximum). Dann ist die im Induktor gespeicherte Energie:

$$E = \frac{1}{2} L I^2 = \frac{1}{2}(6 \mu H) (1.5A^2) = 6.75 \mu J$$ Das passiert 50.000 Mal pro Sekunde. Somit ist die Gesamtleistung, die von der Induktivität verfügbar ist $$P = (6.75 \mu J) \times (50,000 /sec) = 0.3375 W$$ Denken Sie jetzt darüber nach: Ihre Last beträgt 3V3 bei 500mA = 1,65W insgesamt. Nun, ein Teil davon kommt direkt von der Quelle (wenn der Transistor eingeschaltet ist), aber Sie können dieser schnellen Berechnung entnehmen, dass Ihre maximale Ausgangsleistung sehr, sehr stark von der Wahl der Betriebsfrequenz , der Induktorgröße und dem Maximum von 1,5 A beeinflusst wird Strom schalten.

Nehmen wir an, bei jedem Zyklus "leert" sich der Induktor vollständig, dh seine gespeicherte Energie geht auf Null (kurz bevor der Schalter eingeschaltet wird, um mit dem Auffüllen zu beginnen). Wenn das Nachfüllen beginnt, liegt ein Ende des Induktors bei 3,3 V an der Last. Das andere Ende ist durch den Schalter fest auf die +5-Schiene geschaltet. Wenn Ihr Eingang nur 5 V beträgt, wird das Leben hart, da der Schalter in 34063 nicht eine, sondern zwei Diodenabfälle (mindestens) unter der + 5-V-Versorgung ist. Bei 0,7 V / Diodenabfall bedeutet dies, dass die Energie der Induktivität mit nur (5-2 * 0,7-3,3) V darüber zugeführt werden muss, was nur 0,3 V beträgt!

Der Schalter ist 18 μs lang eingeschaltet und der Strom steigt mit einer Rate von Null auf seinen Endwert an

$$i(t) = \frac{1}{L} \int v(t) dt = \frac{1}{6 \mu H} \int_0^{18\mu s} (0.3V) dt = 0.9A$$ Das ist ein bisschen niedriger als das oben genannte Maximum von 1,5 A. Und die gespeicherte Energie ist auch proportional zum Quadrat dieses Wertes! Dies bedeutet, dass der Induktor während der "Aus"-Zeit sehr wenig Arbeit leistet.

Das Leben ist also schwierig. Ich würde auf dieser Grundlage sagen, dass der 34063 aufgrund seiner niedrigen Betriebsfrequenz und seines ziemlich verlustbehafteten Schalttransistors keine gute Wahl für diese spezielle Anwendung ist. Diese 0,3-V-Differenz über L ist eine echte Schwierigkeit und wahrscheinlich für die Probleme verantwortlich, die Sie am oberen Ende sehen.

Aber ich hoffe, das Durcharbeiten dieser Gleichungen ist nützlich, um zu sehen, wie das Entwerfen von SMPSs ein ziemliches Unterfangen sein kann ...

Wenn Sie von 5,0 V auf 3,3 V heruntertransformieren, arbeitet der Wandler mit einem Arbeitszyklus von 66 %. Bei 100 kHz beträgt Ihre Einschaltzeit 6,6 us. Bei einer Induktivität von 6 uH und einem Laststrom von 500 mA können Sie einen Spitzeninduktivitätsstrom von 2,12 A erwarten, der viel höher ist als Ihr Laststrom. Ich gehe hier davon aus, dass Sie im Dauerleitungsmodus arbeiten. Ich denke, für solche niedrigen Lastströme sollten Sie eine größere Induktivität oder einen anderen Wandler mit höherer Schaltfrequenz verwenden. Wahrscheinlich betreiben Sie den Wandler in Strombegrenzung und die Ausgangsspannung wird nicht mehr geregelt. Ob dies der Fall ist, können Sie überprüfen, indem Sie den Spulenstrom messen. Falls dies nicht möglich ist, können Sie den Schaltknoten sondieren und prüfen, wie sich das Tastverhältnis mit der Last ändert. Es sollte eine leichte Änderung mit der Last geben.

PS: Der Induktivitätswert definiert die Stromwelligkeit und damit den Spitzenstrom durch die Schalter. Der ESR des Induktors erzeugt zusätzliche Verluste. Wenn Sie nicht viel Wert auf Effizienz legen, ist dies nicht wichtig. Verwenden Sie einfach einen mit einem ESR in der gleichen Größenordnung wie der Einschaltwiderstand der Schalter. Die Stromwelligkeit geht durch den Ausgangskondensator. Sie sollten seine Kapazität basierend auf einer Welligkeitsanforderung bestimmen. Je größer der Ausgangskondensator, desto geringer ist die Welligkeit. Beachten Sie, dass der Ripple-Strom auch durch den ESR der Ausgangskappe fließt. Wenn der ESR groß ist, könnte er den Hauptbeitrag zur Größe der Welligkeit leisten. Wenn Sie sich die Welligkeitswellenform ansehen und sie dreieckig aussieht, wissen Sie, dass der ESR zu groß ist (die dreieckige Form ist der Induktorstrom, der durch den ESR der Ausgangskappe fließt).