Los reguladores de conmutación convierten el voltaje de entrada en un voltaje de salida mayor o menor, para lo cual se utiliza un inductor para almacenar temporalmente energía eléctrica. El tamaño del inductor depende de la frecuencia de conmutación del regulador de conmutación y de la corriente esperada que fluye a través del circuito, entonces, ¿cómo elijo el valor correcto del inductor? El valor del inductor se puede determinar utilizando una fórmula común que incorpora la ondulación de la corriente del inductor.
En la mayoría de las hojas de datos para reguladores de conmutación, así como en la mayoría de las notas de aplicación y otros textos explicativos, se recomienda que la ondulación de la corriente del inductor sea del 30 por ciento de la operación de carga nominal. Esto significa que los picos y valles de corriente del inductor son un 15 por ciento más altos y un 15 por ciento más bajos, respectivamente, que la corriente promedio a la corriente de carga nominal. ¿Por qué elegir un 30 por ciento de ondulación de corriente del inductor o una relación de ondulación de corriente (CR) puede considerarse un buen compromiso?
Para convertidores reductores, como el que se muestra en la Figura 1, se aplica la Ecuación 1:
Figura 1. Ondulación de corriente del inductor correspondiente cuando se utiliza un convertidor reductor.
Esta fórmula calcula la inductancia requerida para un convertidor reductor en función de la relación de ondulación actual CR, L. Esta relación normalmente se especifica como 0.3, o 30 por ciento de ondulación de pico a pico. En esta fórmula, D representa el ciclo de trabajo y T representa el tiempo del ciclo, dependiendo de la frecuencia de conmutación respectiva.
¿Qué sucede cuando usas una ondulación de corriente de inductor diferente?
En la Figura 2, la línea roja representa la ondulación de corriente del inductor del circuito (relación de ondulación de corriente (CR) del 30 por ciento con una corriente de salida de 3 A. Esta es una opción de compromiso común en el diseño de circuitos reguladores de conmutación. La forma de onda azul corresponde a un inductor ondulación de corriente del 133 por ciento y la forma de onda verde corresponde a una ondulación de corriente del inductor del 7 por ciento.
Fig. 2. Ondulación de corriente del inductor (rojo), ondulación de corriente del inductor pequeña (azul) y ondulación de corriente del inductor grande (verde) para una relación de corriente de ondulación del 30 por ciento con carga nominal.
La Figura 3 muestra el mismo circuito funcionando con una carga nominal parcial como corriente de salida (por ejemplo, 1 A). Con una ondulación alta de la corriente del inductor, como se muestra en la forma de onda azul en la Fig. 3, el inductor se descargará completamente en cada ciclo. Este modo se llama modo de conducción discontinua (DCM). En este modo, la estabilidad del bucle de control cambia y puede producir una mayor ondulación del voltaje de salida.
Fig. 3. Ondulación de corriente del inductor (rojo), ondulación de corriente del inductor pequeña (azul) y ondulación de corriente del inductor grande (verde) con una relación de corriente de ondulación del 30 por ciento con carga parcial.
Por lo tanto, es necesario utilizar una determinada relación de corriente de rizado para evitar el DCM. se obtiene un buen compromiso con una relación de corriente de rizado del 30 por ciento. Si la relación de corriente de rizado es baja, el sistema funcionará en modo de conducción de corriente continua la mayor parte del tiempo, incluso con cargas parciales. Entonces, optimizando el circuito, es posible operar en este modo.
¿Qué sucede si selecciono una relación de corriente de rizado demasiado alta?
Las relaciones de corriente de ondulación superiores al 30 por ciento dan como resultado tamaños de inductor más pequeños y costos más bajos. Sin embargo, las corrientes máximas son significativamente más altas, lo que genera una gran cantidad de interferencia electromagnética (EMI), mucho más alta de lo que los circuitos típicos pueden aceptar. Además, para utilizar el modo de conducción continua (CCM), la corriente de carga debe ser aún mayor. Esto todavía no es un problema, pero las características de funcionamiento cambian en este modo y esto debe tenerse en cuenta al diseñar el circuito.
Además, una tensión de salida más alta resulta de una ondulación de corriente del inductor más baja en comparación con una ondulación de corriente del inductor más baja.
¿Qué sucede si elijo una relación de corriente de rizado demasiado baja?
Las relaciones de corriente de rizado inferiores al 30 por ciento dan como resultado tamaños de inductor más grandes y costos más altos. Debido al gran tamaño del dispositivo de almacenamiento de energía, la respuesta transitoria de la carga será algo menor. Por ejemplo, al desconectar rápidamente una corriente de carga alta, la energía almacenada en el inductor debe transferirse a alguna parte. Esto hace que aumente el voltaje a través del capacitor de salida (COUT). Cuanta más energía eléctrica haya en el inductor, mayor será el voltaje de salida. La sobretensión puede dañar el circuito de suministro.
Después de sopesar las ventajas y desventajas de diferentes relaciones de ondulación de corriente del inductor, hemos descubierto que para la mayoría de las aplicaciones, una relación de ondulación de corriente de aproximadamente el 30 por ciento es más adecuada. Sin embargo, en algunos casos es posible desviarse de esto, siempre que los resultados sean aceptables.
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