Calcul des inducteurs dans les convertisseurs Buck Boost

Dans cet article, nous essayons de comprendre la méthode de dimensionnement ou de calcul des inductances dans les circuits de conversion buck boost afin d'assurer une performance optimale de ces appareils.

Nous prenons l'exemple des typologies de convertisseur élévateur IC 555 et de convertisseur abaisseur IC 555, et essayons de comprendre les techniques d'optimisation à travers des équations et des ajustements manuels, pour obtenir la réponse de sortie la plus optimale à partir de ces conceptions de convertisseur.

Dans quelques-uns de mes articles précédents, nous avons étudié de manière approfondie le fonctionnement des convertisseurs SMPS buck et boost, et nous avons également déduit quelques formules fondamentales pour évaluer les paramètres importants tels que la tension, le courant et l'inductance dans ces circuits de conversion.

Vous voudrez peut-être résumer les détails des articles suivants, avant de vous lancer dans le présent article qui traite des méthodes de conception des inducteurs.

Comment fonctionnent les convertisseurs Boost

Comment fonctionnent les convertisseurs Buck

Equations de base Buck Boost

Pour calculer les inductances dans les circuits SMPS buck boost, nous pourrions déduire les deux formules de conclusion suivantes pour un convertisseur buck et pour un convertisseur boost respectivement:

Vo = DVin ---------- Pour Buck Converter

Vo = Vin / (1 – D) ---------- Pour Boost Converter

Ici D = rapport cyclique, qui est = temps ON du transistor / temps ON + OFF de chaque cycle PWM

Vo = tension de sortie du convertisseur

Vin = tension d'alimentation d'entrée du convertisseur

À partir des formules dérivées ci-dessus, nous pouvons comprendre que les 3 paramètres de base qui peuvent être utilisés pour dimensionner la sortie dans un circuit basé sur SMPS sont:

Paramètres principaux associés au convertisseur Buck Boost

1) Le cycle de service

2) Le temps ON / OFF du transistor

3) Et le niveau de tension d'entrée.

Cela implique qu'en ajustant de manière appropriée l'un quelconque des paramètres ci-dessus, il devient possible d'adapter la tension de sortie du convertisseur. Cet ajustement pourrait être mis en œuvre manuellement ou automatiquement via un circuit PWM auto-ajustable.

Bien que les formules ci-dessus expliquent clairement comment optimiser la tension de sortie d'un convertisseur abaisseur ou élévateur, nous ne savons toujours pas comment l'inductance peut être construite pour obtenir une réponse optimale dans ces circuits.

Vous pouvez trouver de nombreuses formules élaborées et recherchées pour résoudre ce problème, mais aucun nouvel amateur ou passionné d'électronique ne serait intéressé à lutter avec ces formules complexes pour les valeurs requises, qui pourraient en fait avoir plus de chances de fournir des résultats erronés en raison de leur complexité. .

L'idée la meilleure et la plus efficace est de «calculer» la valeur de l'inducteur avec une configuration expérimentale et à travers un processus pratique d'essais et d'erreurs comme expliqué dans les paragraphes suivants.

Configurer un convertisseur Boost à l'aide de l'IC 555

Ci-dessous, des conceptions simples de convertisseur élévateur et abaisseur basées sur IC 555 peuvent être utilisées pour déterminer la meilleure valeur d'inductance possible pour un circuit convertisseur élévateur SMPS particulier.

L'inducteur L peut être initialement réalisé de manière arbitraire.

Le la règle empirique est d'utiliser le nombre de tours légèrement supérieur à la tension d'alimentation donc si la tension d'alimentation est de 12 V, le nombre de tours peut être d'environ 15 tours.

1. Il doit être enroulé sur un noyau de ferrite approprié, qui pourrait être un anneau de ferrite ou une tige de ferrite, ou sur un ensemble de noyau EE.
2. L'épaisseur du fil est déterminée par les besoins en ampères qui ne seront pas initialement un paramètre pertinent.Par conséquent, tout fil émaillé en cuivre relativement mince fonctionnerait, peut être d'environ 25 SWG.
3. Plus tard, selon les spécifications actuelles de la conception prévue, un plus grand nombre de fils pourrait être ajouté en parallèle à l'inducteur tout en l'enroulant afin de le rendre compatible avec l'ampérage spécifié.
4. Le diamètre de l'inducteur dépendra de la fréquence, une fréquence plus élevée permettrait des diamètres plus petits et vice versa. Pour être plus précis, l'inductance offerte par l'inductance devient plus élevée à mesure que la fréquence est augmentée, par conséquent, ce paramètre devra être confirmé par un test séparé utilisant la même configuration IC 555.

Convertisseur de suralimentation de schéma de circuit

Optimisation des commandes du potentiomètre

La configuration ci-dessus montre un circuit de base IC 555 PWM, qui est équipé de potentiomètres séparés pour permettre une fréquence réglable, et un sortie PWM réglable à sa broche n ° 3.

La broche n ° 3 peut être vue connectée à une configuration de convertisseur élévateur standard utilisant le transistor TIP122, l'inductance L, la diode BA159 et un condensateur C.

Le transistor BC547 est introduit pour limiter le courant à travers le TIP122 de sorte que pendant le processus d'ajustement lorsque les pots sont modifiés, le TIP122 ne soit jamais autorisé à traverser le point de panne, ainsi le BC547 protège le TIP122 d'un courant excessif et rend la procédure sûre et infaillible pour l'utilisateur.

La tension de sortie ou la tension de suralimentation est surveillée à travers C pour une réponse optimale maximale pendant tout le processus de test.

Le convertisseur élévateur IC 555 peut ensuite être optimisé manuellement en suivant les étapes suivantes:

• Initialement, réglez le potentiomètre PWM pour produire le PWM le plus étroit possible à la broche n ° 3, et la fréquence est ajustée à environ 20 kHz.
• Prenez un multimètre numérique fixé au-dessus de la plage de 100 V CC et connectez les aiguillages sur C avec la polarité appropriée.
• Ensuite, ajustez progressivement le potentiomètre PWM et surveillez tant que la tension aux bornes de C continue d'augmenter. Au moment où vous constatez que cette tension chute, rétablissez le réglage à la position précédente qui a donné la tension la plus élevée possible sur le potentiomètre, et fixez cette position de potentiomètre / préréglage comme le point optimal pour l'inducteur sélectionné.
• Après cela, ajustez le potentiomètre de fréquence de la même manière pour une optimisation supplémentaire du niveau de tension à travers C, et réglez-le pour obtenir le point de fréquence le plus efficace, pour l'inducteur sélectionné.
• Pour déterminer le cycle de service, il est possible de vérifier le rapport de résistance du pot PWM, qui serait directement proportionnel au rapport d'espace de repère du cycle de service de sortie de la broche n ° 3.
• La valeur de fréquence peut être apprise via un fréquencemètre ou en utilisant la gamme de fréquences à travers le multimètre numérique donné s'il en dispose, cela peut être vérifié à la broche n ° 3 du circuit intégré.

Vos paramètres d'inductance sont maintenant déterminés et peuvent être utilisés pour n'importe quel convertisseur de suralimentation pour la meilleure réponse optimale.

Détermination du courant pour l'inducteur

La spécification actuelle de l'inducteur peut être augmentée en utilisant simplement de nombreux fils parallèles lors de son enroulement, par exemple, vous pouvez utiliser environ 5 fils 26SWG en parallèle pour permettre à l'inducteur de gérer 5 ampères de courant. etc.

Le diagramme suivant montre le processus d'optimisation et de calcul des inducteurs dans SMPS, pour une application de convertisseur abaisseur.

Diagramme de circuit convertisseur Buck

Le même processus s'applique également pour cette configuration, comme cela a été fait avec la conception de convertisseur boost expliquée ci-dessus.

Comme on peut le voir, l'étage de sortie est maintenant modifié avec un convertisseur abaisseur mis en place, les transistors sont maintenant remplacés par des types PNP et les positions de l'inductance, la diode ont changé de manière appropriée.

Ainsi, en utilisant les deux méthodes ci-dessus, n'importe qui peut déterminer ou calculer des inductances dans des circuits smps buck boost sans utiliser de formules complexes et irréalisables.