Перейти к содержанию

Пульсации тока дросселя (ΔIL)

Ток дросселя импульсного преобразователя не постоянен: за каждый такт он нарастает и спадает. Размах этих колебаний определяет пиковый ток ключа, нужный ток насыщения дросселя и пульсации на выходе. Разбираем расчёт по записке TI для понижающего преобразователя.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Пульсации тока дросселя ΔIL — размах (от минимума до максимума) колебаний тока дросселя импульсного преобразователя за один такт. В понижающем преобразователе при открытом ключе на дросселе напряжение VIN − VOUT и ток растёт, при закрытом — напряжение −VOUT и ток спадает. Средний ток дросселя равен току нагрузки, а пиковый больше на ΔIL/2.

Формулы TI

Записка SLVA477C даёт расчёт для режима непрерывного тока. Сначала коэффициент заполнения при наибольшем входном напряжении с учётом КПД η:

D=VOUTVIN(max)⋅ηD = \frac{V_{OUT}}{V_{IN(max)} \cdot \eta}

Затем пульсации при выбранной индуктивности L и минимальной частоте fS:

ΔIL=(VIN(max)−VOUT)⋅DfS⋅L\Delta I_L = \frac{(V_{IN(max)} - V_{OUT}) \cdot D}{f_S \cdot L}

Пульсации максимальны при наибольшем входном напряжении, поэтому считают именно по нему.

Пример

Вход 12 В, выход 3,3 В при токе 2 А, частота 500 кГц, КПД 90 %. Коэффициент заполнения D = 3,3/(12 · 0,9) ≈ 0,31. Берём пульсации 30 % тока нагрузки, 0,6 А, и находим индуктивность по формуле TI:

L=VOUT⋅(VIN−VOUT)ΔIL⋅fS⋅VIN=3,3⋅8,70,6⋅500 000⋅12≈8 мкГнL = \frac{V_{OUT} \cdot (V_{IN} - V_{OUT})}{\Delta I_L \cdot f_S \cdot V_{IN}} = \frac{3{,}3 \cdot 8{,}7}{0{,}6 \cdot 500\,000 \cdot 12} \approx 8\ \text{мкГн}

Пиковый ток ключа и дросселя ISW(max) = ΔIL/2 + IOUT = 0,3 + 2 = 2,3 А. На этот ток, с запасом около 20 %, как советует даташит TPS62130, выбирают ток насыщения дросселя. Калькулятор DC-DC выполняет этот расчёт.

На что влияют пульсации

  • Пиковый ток — ограничение тока встроенного ключа, ток насыщения дросселя.
  • Выходные пульсации — переменная составляющая тока дросселя проходит через выходной конденсатор и его ESR, см. пульсации выходного напряжения.
  • Лёгкая нагрузка — когда ток нагрузки меньше ΔIL/2, ток дросселя доходит до нуля, и преобразователь уходит из непрерывного режима.
  • Реакция на нагрузку — большая индуктивность уменьшает пульсации, но медленнее отдаёт ток при скачке нагрузки.

Частые вопросы

Почему пульсации тока дросселя берут 20–40 % от тока нагрузки?

Это компромисс, который TI предлагает как оценку в записке SLVA477C. Меньшие пульсации требуют большей индуктивности — дроссель крупнее и медленнее реагирует на скачки нагрузки. Большие пульсации повышают пиковый ток ключа и дросселя, пульсации выходного напряжения и потери. Диапазон 20–40 % даёт разумный размер и запас.

Как пульсации влияют на максимальный выходной ток микросхемы?

Ограничение тока встроенного ключа срабатывает по пиковому току, а пик выше среднего на половину пульсаций. Поэтому TI считает доступный выходной ток как IMAXOUT = ILIM(min) − ΔIL/2. При ограничении 3 А и пульсациях 1 А микросхема отдаст не больше 2,5 А.

Что будет, если ток нагрузки меньше половины пульсаций?

Ток дросселя в конце такта дойдёт до нуля. Синхронный преобразователь в принудительном ШИМ начнёт гнать ток обратно, а обычный перейдёт в режим прерывистого тока, и формулы для непрерывного режима перестанут работать. Поэтому при лёгкой нагрузке многие микросхемы переходят в режим пропуска импульсов.

Источники

  1. Texas Instruments. Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage, SLVA477C (December 2011, revised September 2026) — разд. 2: максимальный коэффициент заполнения D = VOUT/(VIN(max) · η), ур. 1, η ≈ 90 %; пульсации тока дросселя ΔIL = (VIN(max) − VOUT) · D/(fS · L), ур. 2, fS — минимальная частота преобразователя; наибольший выходной ток микросхемы IMAXOUT = ILIM(min) − ΔIL/2, ур. 3; пиковый ток ключа ISW(max) = ΔIL/2 + IOUT(max), ур. 4 — его должны выдерживать дроссель, ключ и диод; разд. 3: чем больше L, тем меньше пульсации и больше доступный выходной ток; L = VOUT · (VIN − VOUT)/(ΔIL · fS · VIN), ур. 5; хорошая оценка ΔIL = (0,2…0,4) · IOUT(max), ур. 6
  2. Texas Instruments. TPS6213x 3-V to 17-V 3-A Step-Down Converter, SLVSAG7F (November 2011, revised November 2021) — разд. 9.2.2.2.1: IL(max) = IOUT(max) + ΔIL/2 (ур. 7), ΔIL(max) = VOUT · (1 − VOUT/VIN(max))/(L(min) · fSW) (ур. 8); по максимальному току дросселя выбирают ток насыщения с запасом около 20 %; большая индуктивность уменьшает пульсации, но замедляет реакцию на нагрузку и увеличивает размер

Нашли ошибку?

Смотрите также