Choix des valeurs d'inductance pour l'étape

Un convertisseur abaisseur, également appelé convertisseur abaisseur, est un régulateur de tension à découpage qui convertit efficacement une tension d'entrée CC en une tension de sortie CC inférieure. Dans cette série d'articles, nous utilisons LTspice pour étudier le comportement électrique d'un convertisseur de tension à découpage. Cet article commencera par explorer les tâches de conception et les compromis relatifs à l'inductance du circuit.

Le schéma LTspice présenté sur la figure 1 nous permettra de simuler l'étage de puissance d'un convertisseur abaisseur. Pour être un convertisseur complet, il faudrait ajouter une boucle de contrôle de rétroaction pour réguler la tension.

Une note d'application de Texas Instruments fournit l'équation suivante pour calculer la taille de l'inducteur :

$$L=\frac{V_{OUT}\times\left(V_{IN}-V_{OUT}\right)}{\Delta I_L \times f_S \times V_{IN}}$$

Chacun de ces termes nécessite quelques explications :

VOUT : Il s'agit de la tension de sortie régulée pour laquelle vous souhaitez concevoir. Vous pouvez finir par utiliser votre régulateur avec une tension de sortie supérieure ou inférieure, et c'est très bien, mais si vous effectuez un changement majeur dans la tension de sortie, le convertisseur peut bénéficier d'une nouvelle valeur d'inductance.

NIV :De même, nous nous attendons souvent à ce qu'un régulateur à découpage tolère une plage de tensions d'entrée, donc si votre VIN n'est pas fixe, vous pouvez choisir une valeur quelque part au milieu de la plage.

fS (fréquence de commutation) : Vous devez penser à la fréquence de commutation avant de pouvoir calculer la valeur de l'inductance. Quelque chose entre 200 kHz et 2 MHz est un point de départ raisonnable. Si vous souhaitez savoir si vous devez privilégier l'extrémité inférieure ou supérieure de cette plage, jetez un œil à mon article intitulé Comment choisir la fréquence de votre régulateur à découpage.

ΔIL :Cela désigne l'ondulation du courant d'inductance, c'est-à-dire la variation crête à crête du courant d'inductance, comme illustré sur la figure 2.

En réponse à l'action marche/arrêt de l'élément de commutation, le courant d'inductance dans un convertisseur abaisseur augmente et diminue, s'étendant au-dessus et en dessous du courant de charge (qui est la valeur moyenne du courant d'inductance). L'ampleur de ces écarts est exprimée en ondulation du courant d'inductance (ΔIL).

Si nous exprimons l'ondulation du courant (CR) en pourcentage du courant de charge attendu, une spécification CR recommandée est de 30 %. Cela signifie que le courant d'inductance maximum est 15 % supérieur au courant de charge attendu et que le courant d'inductance minimum est 15 % inférieur au courant de charge attendu.

Vous pourriez voir des termes tels que « courant de charge maximal » ou « courant de pleine charge » au lieu de « courant de charge attendu ». J'interprète tout cela comme signifiant le courant de charge le plus élevé que le régulateur devra fournir à long terme. Je ne prendrais pas en compte les courants transitoires inhabituellement élevés lors de la définition d'un objectif ΔIL.

Prenons un exemple de dimensionnement d'inductance. Nous allons modifier divers paramètres dans mon circuit LTspice afin de vraiment faire quelque chose de nouveau ici.

Imaginons que notre objectif soit d'accepter une tension système assez élevée et de générer un rail de tension adapté à un système embarqué à signaux mixtes de faible consommation. Nous dirons que notre tension d'entrée nominale est de 24 V et notre tension de sortie souhaitée est de 3,3 V. Le courant de charge attendu est de 70 mA.

Un régulateur à découpage est préféré pour ce type d'application car le grand différentiel entrée-sortie ne ferait qu'intensifier l'inefficacité inhérente d'un régulateur linéaire.

Parce que nous allons alimenter certains circuits analogiques, je souhaite réduire l'ondulation de la tension de sortie. De plus, je vais opter pour une fréquence de commutation plus élevée, disons 1,5 MHz, car des fréquences de commutation plus élevées contribuent à réduire l'ondulation de sortie.

Nous devons également choisir un cycle de service initial. Pour cela, nous pouvons utiliser le cycle de service maximum dont le circuit aura besoin pour la tension d'entrée et de sortie spécifiée, et nous calculons le cycle de service maximum comme suit :

$$D_{max}=\frac{V_{OUT}}{V_{IN}\times \text{efficiency}}$$

Une approximation raisonnable de l'efficacité est de 90 %, donc notre cycle de service maximum est d'environ 15 % :