DC / DCコンバータ用の表面実装インダクタの選び方

スイッチモードコンバータの原理の基本を理解することは、設計者がアプリケーションに最適なインダクタを選択するのに役立ちます。 SignalTransformerのエンジニアリングディレクターであるMitchellRhineによる。

従来のリニア電圧レギュレータには、1つの大きな欠点があります。パストランジスタの両端で降下する電圧に負荷電流を掛けると、無駄な電力になります。多くの場合、推奨されるオプションはスイッチモードDC / DCコンバータであり、パワートランジスタはデューティサイクルで連続的にスイッチングし、追加のフィルタリングを行うことで、必要な出力電圧を供給します。

この構成では、トランジスタは電圧降下なしでオンになるか、電流が流れない状態でオフになります。これは、状態を切り替えるときに消費電力がゼロになる傾向があり、最大95％の効率が得られるのに対し、リニアコンバータは通常約50％を提供することを意味します。スイッチングコンバータには、トポロジがステップダウン（いわゆる「バック」）、ステップアップ（「ブースト」）、または反転（「バックブースト」）モードで動作できることを意味するというもう1つの大きな利点があります。

スイッチモードコンバータの原理の基本的な理解は、必要なインダクタを選択するのに役立ちます。この記事では、いくつかの基本的な構成に焦点を当てます。主に、「連続モード」で動作する非常に人気のある固定周波数の降圧コンバーターです。

図。 1：シンプルなスイッチングDC / DCコンバータ。

基本的なバックコンバータは、スイッチ、インダクタ、コンデンサ、ダイオードだけで構成されています（図1 ）。理想的なスイッチとダイオードを想定すると、V _sw =0およびV _d =0の場合、コンバータの動作の説明が簡略化されます。実際の設計の場合、必要なインダクタンス値L、予想されるデューティサイクルD、および動作効率を正確に決定するために、V _sw およびV _d ゼロ以外と見なす必要があり、コンバータ回路への影響を含める必要があります。

スイッチがオンの場合、ダイオードはオフになり、ランプ電流が入力から出力に直接流れます。スイッチがオフの場合、インダクタの両端の電圧は、インダクタンスが電流を流し続けようとするため、極性が反転します。これにより「キャッチ」ダイオードがオンになり、スイッチが再びオンになってサイクルが繰り返されるまで電流が減少します。ランプオン電流はインダクタコアの磁化を増加させ、インダクタにエネルギーを蓄積します。エネルギーは、電流がランプダウンするときにオフサイクル中に返されます。

図。 2：スイッチングDC / DCコンバータのランピング波形。

降圧コンバータの場合のインダクタを流れる電流の波形を図に示します。 2 。これには、平均的なDCコンポーネントとACコンポーネントが含まれ、これらは定期的に上下します。 DC電流はDC負荷電流I _load に等しい 。定常状態では、サイクル終了時のインダクタ電流はサイクル開始時のインダクタ電流と等しくなります。

制御されたスイッチング動作により、

が発生します。

V _out =D * V _in （式1）

DはD =t _on としてのデューティサイクルです。 /（t _on + t _オフ 。

スイッチング周波数はf _sw によって決定されます =1 /（t _on + t _オフ ）、t _on =D / f _sw 。

オン時間中に回路で生成されたすべての電圧降下を合計し、V _sw =0、これは結果として

V _in – v _ind – v _out =0（式2）

ここでV _ind に置き換えます =L * di / dt、diは電流ランプI _ランプの大きさに似ています およびdtON時間t _on 、これで移動します

L * I _ランプ =（V _in – v _out ）* t _on （式3）

式3の右辺は、与えられた入力と出力の電圧差に対して一定であり、結果として得られるスイッチング周波数とt _on の値についても同じであることを意味するため、これは重大な結果をもたらします。 。インダクタンス値Lが大きいほど、ランプ電流成分は小さくなりますが、インダクタンス値が小さいほど、電流ランプは大きくなります。これを極端に駆動すると、インダクタンスが非常に小さくなるように選択された場合、低負荷電流状態でインダクタを流れる合計電流がスイッチング期間の一部でゼロに低下する可能性があるほど大きな電流ランプが存在する可能性があります。この状態は不連続モードと呼ばれます。

留意しなければならないもう1つの重要な考慮事項があります。一部のアプリケーションでは魅力的なインダクタンスが小さいほど、インダクタのランプ電流が大きくなり、出力電圧で発生するリップルが大きくなります。大きなI _ランプ また、インダクタのACコア損失も増加します。一般的なガイドラインとして、私は_ランプ 最大負荷電流と比較して小さくする必要があります。これにより、特定のシステム設計のインダクタンス値Lが決まります。

次に、適切なインダクタンス値の選択に関する重要な仕様に移りましょう。これは、インダクタを流れる最大ピーク電流です。定常状態での動作では

I _max =I _{load_max} + I _ランプ / 2（式4）

式3を見ると、I _ランプであることがわかります。 I _負荷から独立しています 。 I _max を決定するには 、I _ランプの方法については、より詳細な検討が必要です。 V _in の値によって異なります インダクタLの値を決定した後。

すべての電圧降下を合計し、V _d オフ時間中は0、これは結果として

V _ind – v _out =0（式5）

V _ind を検討する =L * di / dt、diは電流ランプの大きさI _ランプ dtはオフ時間t _off 、私たちを

_ランプ =V _out * t _オフ / L（式6）

V _out の場合 一定、I _ランプ t _off のときに最大になります また、最大です。これは、V _in のときに発生します は最大であり、この条件によってI _ランプが決まります。 および最大ピークインダクタ電流（式4）。

インダクタンス値が決定され、最大電流がわかったので、これは最終的に適切なインダクタタイプの選択につながります。新しいIoT設計の場合と同様に、シールド付きの低EMIインダクタは、人口密度の高いボードに適しています。それらの利点は、磁束がインダクタ本体内に含まれているため、周囲のPCBトレースおよびコンポーネントへの放射の影響が少ないことです。

例として、Signal Transformerの磁気シールド部品のSCRHシリーズは、インダクタンス値が1.0 µH〜180 µH、飽和電流が0.15 A〜5.0 A、高さが1.9mm〜4mmで利用できます。より大きなインダクタンス値が必要な場合、SCxxxxCシリーズは10 µHから1 mHの値を提供し、飽和電流は0.045Aから8A、高さは2.92mmから7.62mmです。他のシリーズは、大電流アプリケーションや、薄型寸法を含む最高の効率と堅牢な電力処理のためのシールドされていないインダクタに使用できます。

注目の画像ソース：Signal Transformer