Warum erfordern kleinere Lasten größere Induktivitäten in Abwärtsreglern?

Eine eher theoretische Erklärung:

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

Die erste Abbildung zeigt einen Tiefsetzsteller. Die zweite zeigt die Wellenformen des Tiefsetzstellers. Es zeigt den Schalter S, die Spannung über der Induktivität und den Strom durch die Induktivität. Wenn der Schalter geschlossen ist, ist die Spannung über der Induktivität Vin-Vout. Wenn der Schalter offen ist, ist die Spannung über der Induktivität –Vout. Die Diode wird in diesem Ideal angenommen und hat daher einen Spannungsabfall von Null. Ein Abwärtswandler hat die Regel, dass Vin > Vout, sodass Sie eine positive Spannung haben, die die Induktivität „auflädt“, und eine negative Spannung, die die Induktivität „entlädt“. Die Änderungsgeschwindigkeit des Stroms hängt von dieser Spannung und Induktivität ab. Wenn Sie eine stabile Ausgabe wünschen, sollte die Aufwärtsrampe so „hoch“ sein wie die Abwärtsrampe. Andernfalls erhalten Sie einen fallenden oder steigenden Durchschnitt. Es gibt ein Gleichgewicht. In Mathematik läuft das auf Folgendes hinaus:

Der erste Term der Formel beschreibt die Aufwärtsrampe und der zweite Term beschreibt die Abwärtsrampe. Wie Sie sehen können, wurden die Schaltfrequenz und das Tastverhältnis zu t_on und t_off vereinfacht. Das Tastverhältnis ist nur abhängig vom Verhältnis der Ausgangsspannung zur Eingangsspannung. Die Einschaltdauer ändert sich bei variierender Last nicht.

Der Pegel der Auf- und Abwärtsrampe ändert sich nur, wenn Sie die Eingangs-/Ausgangsspannungen, den Induktorwert oder die Schaltfrequenz ändern. Durch Erhöhen der Schaltfrequenz werden die Auf- und Abwärtsrampen verringert, aber es ist nicht immer möglich, die Schaltfrequenz zu erhöhen (vielleicht arbeiten Sie bereits am Maximum). 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. Das ist das einzige Werkzeug, das Ihnen zur Verfügung steht.

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

Der Konverter müsste auf den diskontinuierlichen Modus zurückgreifen. Nicht alle Konverter können dies. Dies erfordert manchmal, dass der Konverter Zyklen überspringt. Wenn der Konverter den Schalter für eine minimale Zeit öffnet, wird eine bestimmte Energiemenge übertragen. Diese wird im Kondensator gespeichert, aber nicht schnell genug verbraucht. Dies beeinflusst die Ausgangsspannung, was den Wandler instabil macht. Wenn Sie Zyklen überspringen, wartet der Wandler grundsätzlich, 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 ein kleinerer kann bei niedrigen Lasten Probleme verursachen. Wenn das SMPS jedoch auch dafür ausgelegt ist, in Situationen eine hohe Leistung zu liefern, kann die Induktivität zu sperrig und teuer sein.

Ein Konverter, der in den diskontinuierlichen Modus umschalten kann, ist damit ziemlich problemlos und Sie müssen dies nicht durchmachen. Der MC34063 ist ein ziemlich alter und generischer Chip, daher ist er etwas kniffliger.

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

Denken Sie an das Gegenteil. Ein größerer Induktor baut den Strom langsamer auf, wenn die gleiche Spannung darüber angelegt wird. Wenn Sie also 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 Grenze dafür, wie kurz es sinnvoll ist, den Schalter eingeschaltet zu lassen, sodass sich in jedem Schaltzyklus ein gewisser minimaler Stromaufbau in der Induktivität ergibt. Dieser minimale Strom verursacht einen minimalen Spannungsanstieg am Ausgang, wenn er dort abgelegt wird. Daher haben Schaltnetzteile, die für hohe Ströme ausgelegt sind, eine größere Ausgangswelligkeitsspannung als solche mit engeren maximalen Spezifikationen, wenn alles andere gleich ist.

Wenn die Ausgangswelligkeit kein großes Problem darstellt, können Sie den diskontinuierlichen Modus mit einem Puls-on-Demand-Steuerungsschema verwenden und so wenig durchschnittlichen Strom erhalten, wie Sie möchten. Die meisten SMPS-Chips sind für den kontinuierlichen Modus ausgelegt, da sie Hochfrequenz verwenden, um die physische Induktorgröße gering zu halten. Sie werden nicht auf alle Designkompromisse eingehen und einige Annahmen darüber treffen, wie die Ausgabeeigenschaften aussehen 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. Indem Sie Parameter gerade genug für den höchsten Stromfall wählen, geben Sie sich selbst eine gute Leistung bis hin zu den niedrigeren Strompegeln.

Leichtere Lasten erfordern mehr Induktivität, um im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) zu bleiben.

Die App-Notiz-Gleichung, auf die Sie verweisen, ergibt eine Induktivität Lmin, die den Wandler an die Grenze zwischen CCM und diskontinuierlichem Leitungsmodus (DCM) bringt. Wenn Sie in dieser Berechnung den maximalen Laststrom verwenden, fällt der resultierende Wandler bei weniger als der maximalen Last in DCM, wo sich seine Dynamik ändert . (Die DC-Regelung bleibt gut.) Basieren Sie die Induktivitätsberechnung stattdessen auf der erwarteten Mindestlast, damit der Wandler über den Lastbereich in CCM bleibt.

Ich bin mit diesem Chip in einem ähnlichen Boot wie du. Soweit ich weiß (und um das oben Gesagte zu wiederholen), möchten Sie Ihren durchschnittlichen Strom so einstellen, dass Ihre Spitze-zu-Spitze-Stromwelligkeit durch die Induktivität immer über 0 Ampere liegt. Wenn Sie sich das Diagramm mit durchschnittlichem Strom, Spannung und Schaltzustand ansehen, möchten Sie sicherstellen, dass i_min niemals 0 erreichen kann. Um dies zu erreichen, verkleinern Sie Ihre Stromwelligkeit, wodurch Ihr durchschnittlicher Strom ebenfalls sinken kann ... und sich 0 nähert .