Calcolo degli induttori nei convertitori buck boost

In questo post cerchiamo di capire il metodo di dimensionamento o calcolo degli induttori nei circuiti dei convertitori buck boost al fine di garantire prestazioni ottimali da questi dispositivi.

Prendiamo l'esempio del convertitore boost IC 555 e delle tipologie di convertitore buck IC 555 e cerchiamo di comprendere le tecniche di ottimizzazione attraverso equazioni e regolazioni manuali, per ottenere la risposta di uscita più ottimale da questi progetti di convertitori.

In alcuni dei miei post precedenti abbiamo studiato a fondo come funzionano i convertitori buck e boost SMPS e abbiamo anche dedotto alcune formule fondamentali per valutare i parametri importanti come tensione, corrente e induttanza in questi circuiti di convertitori.

Si consiglia di riassumere i dettagli dai seguenti articoli, prima di intraprendere il presente articolo che tratta dei metodi di progettazione degli induttori.

Come funzionano i convertitori Boost

Come funzionano i convertitori buck

Equazioni di Buck Boost di base

Per calcolare gli induttori nei circuiti SMPS buck boost, potremmo derivare le seguenti due formule conclusive rispettivamente per un convertitore buck e per un convertitore boost:

Vo = DVin ---------- Per Buck Converter

Vo = Vin / (1 - D) ---------- Per Boost Converter

Qui D = Duty Cycle, che è = Transistor ON time / ON + OFF time di ogni ciclo PWM

Vo = Tensione di uscita dal convertitore

Vin = Tensione di alimentazione in ingresso al convertitore

Dalle formule sopra derivate, possiamo capire che i 3 parametri di base che possono essere utilizzati per il dimensionamento dell'uscita in un circuito basato su SMPS sono:

Parametri principali associati al convertitore Buck Boost

1) Il ciclo di lavoro

2) Il tempo transistor ON / OFF

3) E il livello di tensione in ingresso.

Ciò implica che regolando opportunamente uno qualsiasi dei parametri di cui sopra diventa possibile adattare la tensione di uscita dal convertitore. Questa regolazione può essere implementata manualmente o automaticamente tramite un circuito PWM autoregolante.

Sebbene le formule di cui sopra spieghino chiaramente come ottimizzare la tensione di uscita da un convertitore buck o boost, non sappiamo ancora come possa essere costruito l'induttore per ottenere una risposta ottimale in questi circuiti.

Potresti trovare molte formule elaborate e ricercate per risolvere questo problema, tuttavia nessun nuovo hobbista o appassionato di elettronica sarebbe interessato a lottare effettivamente con queste formule complesse per i valori richiesti, che potrebbero effettivamente avere più possibilità di fornire risultati errati a causa della loro complessità .

L'idea migliore e più efficace è quella di 'calcolare' il valore dell'induttore con una configurazione sperimentale e attraverso un processo pratico di tentativi ed errori come spiegato nei paragrafi seguenti.

Configurare un convertitore boost utilizzando IC 555

Di seguito è mostrato un semplice progetto di convertitore boost e buck basato su IC 555 che potrebbe essere utilizzato per determinare il miglior valore possibile dell'induttore per un particolare circuito del convertitore boost SMPS.

L'induttore L può essere inizialmente realizzato arbitrariamente.

Il regola pratica è usare il numero di giri leggermente superiore alla tensione di alimentazione quindi se la tensione di alimentazione è 12V, il numero di giri potrebbe essere di circa 15 giri.

1. Deve essere avvolto su un nucleo di ferrite adatto, che potrebbe essere un anello di ferrite o un'asta di ferrite, o su un nucleo di EE.
2. Lo spessore del filo è determinato dal requisito dell'amplificatore che inizialmente non sarà un parametro rilevante, quindi qualsiasi filo smaltato di rame relativamente sottile funzionerebbe, potrebbe essere di circa 25 SWG.
3. Successivamente, secondo le specifiche correnti del progetto previsto, è possibile aggiungere più fili in parallelo all'induttore mentre lo si avvolge per renderlo compatibile con la potenza nominale specificata.
4. Il diametro dell'induttore dipenderà dalla frequenza, una frequenza più alta consentirebbe diametri più piccoli e viceversa. Per essere più precisi, l'induttanza offerta dall'induttore diventa maggiore all'aumentare della frequenza, quindi questo parametro dovrà essere confermato attraverso un test separato utilizzando lo stesso IC 555 impostato.

Convertitore boost dello schema elettrico

Ottimizzazione dei controlli del potenziometro

La configurazione sopra mostra un circuito PWM IC 555 di base, che è dotato di potenziometri separati per abilitare una frequenza regolabile e un uscita PWM regolabile al suo pin 3.

Il pin # 3 può essere visto collegato a una configurazione di convertitore boost standard utilizzando il transistor TIP122 l'induttore L, il diodo BA159 e un condensatore C.

Il transistor BC547 è stato introdotto per limitare la corrente attraverso il TIP122 in modo che durante il processo di regolazione quando i potenziometri vengono modificati, il TIP122 non può mai attraversare il punto di guasto, quindi il BC547 protegge il TIP122 da corrente eccessiva e rende la procedura sicura e infallibile per l'utente.

La tensione di uscita o la tensione di boost viene monitorata attraverso C per una risposta ottimale massima durante l'intero processo di test.

Il convertitore boost IC 555 può essere quindi ottimizzato manualmente attraverso i seguenti passaggi:

• Inizialmente, impostare il potenziometro PWM in modo da produrre il PWM più stretto possibile al pin n. 3 e la frequenza viene regolata a circa 20 kHz.
• Prendi un multimetro digitale fissato sopra la gamma di 100 V CC e collega i puntali su C con la polarità appropriata.
• Successivamente, regola gradualmente il potenziometro PWM e monitora finché la tensione su C continua a salire. Nel momento in cui si riscontra una caduta di tensione, ripristinare la regolazione alla posizione precedente che forniva la tensione più alta possibile sul potenziometro e fissare questa posizione pot / preset come punto ottimale per l'induttore selezionato.
• Successivamente, modifica il potenziometro di frequenza in modo simile per un'ulteriore ottimizzazione del livello di tensione su C e impostalo per ottenere il punto di frequenza più efficace, per l'induttore selezionato.
• Per determinare il ciclo di lavoro si potrebbe eventualmente controllare il rapporto di resistenza del potenziometro PWM, che sarebbe direttamente proporzionale al rapporto spazio contrassegno del ciclo di lavoro di uscita del pin n. 3.
• Il valore di frequenza può essere appreso tramite un frequenzimetro o utilizzando la gamma di frequenze attraverso il dato DMM se ha la funzione, questo potrebbe essere controllato al pin 3 dell'IC.

I parametri dell'induttore sono ora determinati e potrebbero essere utilizzati per qualsiasi convertitore boost per la migliore risposta ottimale.

Determinazione della corrente per l'induttore

Le specifiche di corrente dell'induttore potrebbero essere aumentate semplicemente utilizzando molti fili paralleli durante l'avvolgimento, ad esempio potresti utilizzare circa 5 n. Di fili 26SWG in parallelo per consentire all'induttore di gestire 5 ampere di corrente. e così via.

Il diagramma successivo mostra il processo di ottimizzazione e calcolo degli induttori in SMPS, per un'applicazione di convertitore buck.

Convertitore buck con schema elettrico

Lo stesso processo si applica anche a questa configurazione, come è stato fatto con il progetto del convertitore boost spiegato sopra.

Come si può vedere lo stadio di uscita è ora modificato con un convertitore buck predisposto, i transistor sono ora sostituiti con tipi PNP e le posizioni dell'induttore, diodo cambiate opportunamente.

Pertanto, utilizzando i due metodi di cui sopra, chiunque può determinare o calcolare induttori in circuiti buck boost smps senza utilizzare formule complesse e irrealizzabili.