I regolatori a commutazione convertono la tensione di ingresso in una tensione di uscita più alta o più bassa, per la quale viene utilizzato un induttore per immagazzinare temporaneamente l'energia elettrica. La dimensione dell'induttore dipende dalla frequenza di commutazione del regolatore di commutazione e dalla corrente prevista che scorre attraverso il circuito, quindi come faccio a scegliere il valore corretto dell'induttore? Il valore dell'induttore può essere determinato utilizzando una formula comune che incorpora l'ondulazione della corrente dell'induttore.
Nella maggior parte delle schede tecniche dei regolatori a commutazione, così come nella maggior parte delle note applicative e in altri testi esplicativi, si consiglia che l'ondulazione della corrente dell'induttore sia pari al 30% del funzionamento a carico nominale. Ciò significa che i picchi e le valli della corrente dell'induttore sono rispettivamente del 15% più alti e del 15% più bassi rispetto alla corrente media alla corrente di carico nominale. Perché scegliere un ripple di corrente dell'induttore del 30% o un rapporto di ripple di corrente (CR) può essere considerato un buon compromesso?
Per i convertitori buck, come quello mostrato nella Figura 1, si applica l'equazione 1:
Figura 1. ondulazione di corrente dell'induttore corrispondente quando si utilizza un convertitore buck.
Questa formula calcola l'induttanza richiesta per un convertitore buck in base al rapporto di ripple corrente CR, L. Questo rapporto è generalmente specificato come 0.3, o ripple da picco a picco del 30%. In questa formula, D rappresenta il ciclo di lavoro e T rappresenta il tempo di ciclo, a seconda della rispettiva frequenza di commutazione.
Cosa succede quando si utilizza un'ondulazione di corrente dell'induttore diversa?
Nella Figura 2, la linea rossa rappresenta l'ondulazione di corrente dell'induttore del circuito (rapporto di ondulazione di corrente (CR) del 30% con una corrente di uscita di 3 A. Si tratta di una scelta di compromesso comune nella progettazione di circuiti di regolatori a commutazione. La forma d'onda blu corrisponde a un induttore ondulazione di corrente del 133% e la forma d'onda verde corrisponde a un'ondulazione di corrente dell'induttore del 7%.
Fig. 2. Ondulazione della corrente dell'induttore (rosso), ondulazione della corrente dell'induttore piccola (blu) e ondulazione della corrente dell'induttore grande (verde) per un rapporto di corrente di ondulazione del 30% al carico nominale.
La Figura 3 mostra lo stesso circuito funzionante con un carico nominale parziale pari alla corrente di uscita (ad esempio 1 A). Ad un'elevata ondulazione della corrente dell'induttore, come mostrato dalla forma d'onda blu in Fig. 3, l'induttore si scaricherà completamente ad ogni ciclo. Questa modalità è chiamata modalità di conduzione discontinua (DCM). In questa modalità, la stabilità del circuito di controllo cambia e può produrre un'ondulazione della tensione di uscita più elevata.
Fig. 3. Ondulazione della corrente dell'induttore (rosso), ondulazione della corrente dell'induttore piccola (blu) e ondulazione della corrente dell'induttore grande (verde) con un rapporto di corrente di ondulazione del 30% a carico parziale.
Pertanto è necessario utilizzare un certo rapporto di corrente di ondulazione per evitare la DCM. un buon compromesso si ottiene con un rapporto di corrente di ondulazione del 30%. Se il rapporto di corrente di ripple è basso, il sistema funzionerà in modalità di conduzione di corrente continua per la maggior parte del tempo, anche a carichi parziali. Quindi, ottimizzando il circuito, è possibile operare in questa modalità.
Cosa succede se seleziono un rapporto di corrente di ondulazione troppo alto?
Rapporti di corrente di ondulazione superiori al 30% si traducono in induttori di dimensioni più piccole e costi inferiori. Tuttavia, le correnti di picco sono significativamente più elevate, generando una grande quantità di interferenze elettromagnetiche (EMI), molto più elevate di quelle che i circuiti tipici possono accettare. Inoltre, per utilizzare la modalità di conduzione continua (CCM), la corrente di carico deve essere ancora più elevata. Questo non è ancora un problema, ma in questa modalità le caratteristiche di funzionamento cambiano e di questo bisogna tenerne conto in fase di progettazione del circuito.
Inoltre, una tensione di uscita più elevata deriva da un'ondulazione di corrente dell'induttore inferiore rispetto a un'ondulazione di corrente dell'induttore inferiore.
Cosa succede se scelgo un rapporto di corrente di ondulazione troppo basso?
Rapporti di corrente di ondulazione inferiori al 30% determinano induttori di dimensioni maggiori e costi più elevati. A causa delle grandi dimensioni del dispositivo di accumulo dell'energia, la risposta transitoria del carico sarà leggermente inferiore. Ad esempio, quando si disconnette rapidamente una corrente di carico elevata, la potenza immagazzinata nell'induttore deve essere trasferita da qualche parte. Ciò fa aumentare la tensione sul condensatore di uscita (COUT). Maggiore è l'energia elettrica nell'induttore, maggiore è la tensione di uscita. La sovratensione può danneggiare il circuito di alimentazione.
Dopo aver valutato i vantaggi e gli svantaggi dei diversi rapporti di ondulazione della corrente dell'induttore, abbiamo scoperto che per la maggior parte delle applicazioni è più adatto un rapporto di ondulazione della corrente di circa il 30%. Tuttavia, in alcuni casi è possibile discostarsi da ciò, purché i risultati siano accettabili.
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