Berechnung von Induktivitäten in Buck-Boost-Wandlern

In diesem Beitrag versuchen wir, die Methode zur Dimensionierung oder Berechnung von Induktivitäten in Buck-Boost-Wandlerschaltungen zu verstehen, um eine optimale Leistung dieser Geräte sicherzustellen.

Wir nehmen das Beispiel von IC 555-Aufwärtswandler- und IC 555-Abwärtswandlertypologien und versuchen, die Optimierungstechniken durch Gleichungen und manuelle Anpassungen zu verstehen, um das optimalste Ausgangsverhalten dieser Wandlerkonstruktionen zu erzielen.

In einigen meiner früheren Beiträge haben wir uns eingehend mit der Funktionsweise von SMPS-Buck- und Boost-Wandlern befasst und einige grundlegende Formeln zur Bewertung der wichtigen Parameter wie Spannung, Strom und Induktivität in diesen Wandlerschaltungen abgeleitet.

Möglicherweise möchten Sie die Details aus den folgenden Artikeln zusammenfassen, bevor Sie mit dem vorliegenden Artikel beginnen, der sich mit den Induktionsentwurfsmethoden befasst.

Funktionsweise von Aufwärtswandlern

So funktionieren Buck-Konverter

Grundlegende Buck-Boost-Gleichungen

Für die Berechnung von Induktoren in Buck-Boost-SMPS-Schaltungen könnten wir die folgenden zwei abschließenden Formeln für einen Buck-Wandler bzw. für einen Boost-Wandler ableiten:

Vo = DVin ---------- Für Buck Converter

Vo = Vin / (1 - D) ---------- Für Aufwärtswandler

Hier ist D = Arbeitszyklus, dh = Transistor-Einschaltzeit / EIN + AUS-Zeit jedes PWM-Zyklus

Vo = Ausgangsspannung vom Wandler

Vin = Eingangsversorgungsspannung zum Wandler

Aus den oben abgeleiteten Formeln können wir verstehen, dass die 3 grundlegenden Parameter, die zur Dimensionierung des Ausgangs in einer SMPS-basierten Schaltung verwendet werden können, sind:

Hauptparameter für den Buck Boost Converter

1) Der Arbeitszyklus

2) Die EIN / AUS-Zeit des Transistors

3) Und der Eingangsspannungspegel.

Dies impliziert, dass durch geeignete Einstellung eines der obigen Parameter es möglich wird, die Ausgangsspannung vom Wandler anzupassen. Diese Einstellung kann manuell oder automatisch über eine selbsteinstellende PWM-Schaltung durchgeführt werden.

Obwohl die obigen Formeln klar erklären, wie die Ausgangsspannung eines Abwärts- oder Aufwärtswandlers optimiert werden kann, wissen wir immer noch nicht, wie der Induktor aufgebaut werden kann, um in diesen Schaltungen ein optimales Ansprechverhalten zu erzielen.

Möglicherweise finden Sie viele ausgefeilte und recherchierte Formeln, um dieses Problem zu lösen. Kein neuer Hobbyist oder elektronischer Enthusiast wäre jedoch daran interessiert, mit diesen komplexen Formeln um die erforderlichen Werte zu kämpfen, die aufgrund ihrer Komplexität tatsächlich mehr Möglichkeiten bieten könnten, fehlerhafte Ergebnisse zu liefern .

Die bessere und effektivere Idee besteht darin, den Induktorwert mit einem Versuchsaufbau und durch einen praktischen Versuch und Irrtum zu 'berechnen', wie in den folgenden Absätzen erläutert.

Konfigurieren Sie einen Aufwärtswandler mit IC 555

Im Folgenden wird ein einfaches IC 555-basiertes Boost- und Buck-Wandler-Design gezeigt, mit dem der bestmögliche Induktorwert für eine bestimmte SMPS-Boost-Wandlerschaltung ermittelt werden kann.

Der Induktor L kann anfänglich willkürlich hergestellt werden.

Das Als Faustregel gilt, dass die Anzahl der Windungen etwas höher als die Versorgungsspannung ist Wenn die Versorgungsspannung 12 V beträgt, kann die Anzahl der Windungen etwa 15 Windungen betragen.

1. Es muss über einen geeigneten Ferritkern gewickelt werden, der ein Ferritring oder ein Ferritstab sein kann, oder über eine EE-Kernanordnung.
2. Die Dicke des Drahtes wird durch die Amp-Anforderung bestimmt, die anfangs kein relevanter Parameter ist. Daher würde jeder relativ dünne Kupferlackdraht funktionieren und etwa 25 SWG betragen.
3. Später, gemäß den aktuellen Spezifikationen des beabsichtigten Designs, könnte beim Wickeln eine größere Anzahl von Drähten parallel zum Induktor hinzugefügt werden, um ihn mit der angegebenen Amperezahl kompatibel zu machen.
4. Der Durchmesser des Induktors hängt von der Frequenz ab, eine höhere Frequenz würde kleinere Durchmesser ermöglichen und umgekehrt. Genauer gesagt wird die vom Induktor angebotene Induktivität mit zunehmender Frequenz höher, daher muss dieser Parameter durch einen separaten Test unter Verwendung des gleichen IC 555-Aufbaus bestätigt werden.

Schaltplan-Aufwärtswandler

Optimierung der Potentiometer-Steuerung

Der obige Aufbau zeigt eine grundlegende IC 555-PWM-Schaltung, die mit separaten Potentiometern zum Ermöglichen einer einstellbaren Frequenz ausgestattet ist, und eine einstellbarer PWM-Ausgang an seinem Pin # 3.

Pin 3 ist unter Verwendung des TIP122-Transistors, der Induktivität L, der Diode BA159 und eines Kondensators C mit einer Standard-Aufwärtswandlerkonfiguration verbunden.

Der Transistor BC547 wird eingeführt, um den Strom über den TIP122 zu begrenzen, so dass der TIP122 während des Einstellvorgangs, wenn die Potis optimiert werden, niemals den Durchschlagspunkt überschreiten darf. Daher schützt der BC547 den TIP122 vor übermäßigem Strom und macht das Verfahren sicher und sicher kinderleicht für den Benutzer.

Die Ausgangsspannung oder die Boost-Spannung wird über C überwacht, um während des gesamten Testprozesses eine maximale optimale Reaktion zu erzielen.

Der Aufwärtswandler IC 555 kann dann manuell durch die folgenden Schritte optimiert werden:

• Stellen Sie den PWM-Poti zunächst so ein, dass an Pin 3 die engstmögliche PWM erzeugt wird, und stellen Sie die Frequenz auf ca. 20 kHz ein.
• Nehmen Sie ein Digitalmultimeter, das über einem Bereich von über 100 V DC befestigt ist, und schließen Sie die Stöße mit der entsprechenden Polarität über C an.
• Stellen Sie anschließend den PWM-Poti und den Monitor schrittweise ein, solange die Spannung an C weiter ansteigt. Sobald diese Spannung abfällt, stellen Sie die Einstellung auf die vorherige Position zurück, die die höchstmögliche Spannung am Topf ergab, und legen Sie diese Topf- / voreingestellte Position als optimalen Punkt für den ausgewählten Induktor fest.
• Passen Sie danach den Frequenztopf auf ähnliche Weise an, um den Spannungspegel über C weiter zu optimieren, und stellen Sie ihn so ein, dass der effektivste Frequenzpunkt für den ausgewählten Induktor erreicht wird.
• Zur Bestimmung des Arbeitszyklus könnte man möglicherweise das PWM-Topfwiderstandsverhältnis überprüfen, das direkt proportional zum Markierungsraumverhältnis des Ausgangslebenszyklus von Pin Nr. 3 wäre.
• Der Frequenzwert könnte durch ein Frequenzmessgerät oder unter Verwendung des Frequenzbereichs über das gegebene DMM gelernt werden, wenn es die Möglichkeit hat, dies könnte an Pin # 3 des IC überprüft werden.

Ihre Induktorparameter sind jetzt bestimmt und können für jeden Aufwärtswandler verwendet werden, um die beste optimale Reaktion zu erzielen.

Bestimmen des Stroms für den Induktor

Die Stromspezifikation des Induktors könnte erhöht werden, indem einfach viele parallele Drähte beim Wickeln verwendet werden. Beispielsweise könnten Sie etwa 5 Nr. 26SWG-Drähte parallel verwenden, um den Induktor für 5 Ampere Strom zu aktivieren. usw.

Das nächste Diagramm zeigt den Prozess der Optimierung und Berechnung von Induktivitäten in SMPS für eine Abwärtswandleranwendung.

Schaltplan Buck Converter

Der gleiche Vorgang gilt auch für diesen Aufbau, wie er mit dem oben erläuterten Aufwärtswandlerdesign durchgeführt wurde.

Wie zu sehen ist, wird die Ausgangsstufe jetzt mit einem eingebauten Tiefsetzsteller geändert, die Transistoren werden jetzt durch PNP-Typen ersetzt und die Positionen der Induktivität, Diode entsprechend geändert.

Somit kann mit den beiden oben genannten Methoden jeder Induktivitäten in Buck-Boost-Smps-Schaltungen bestimmen oder berechnen, ohne komplexe und nicht durchführbare Formeln zu verwenden.