Como escolher um indutor ao projetar um conversor CC-CC

Indutores são componentes simples em dispositivos eletrônicos que realizam tarefas como limpeza de sinais elétricos, ajuda no tempo e gerenciamento de energia. Eles armazenam energia em campos magnéticos quando a eletricidade flui através deles e os libera de volta ao circuito. Os indutores resistem a mudanças repentinas no fluxo de eletricidade, empurrando “picos” ao criar uma força elétrica (como um pequeno empurrão ou puxão elétrico), de acordo com uma regra chamada Lei de Lenz.

Os indutores são medidos na unidade “Henry” (H), em homenagem a um cientista influente, e isso exemplifica quanta energia eles podem armazenar. Mas eles interagem de forma diferente dependendo do sinal, conforme exemplos abaixo.

• Para sinais elétricos CC regulares, os indutores agem como um atalho, permitindo que a eletricidade flua facilmente
• Para sinais CA, os indutores são como um obstáculo, dificultando a passagem da eletricidade.

Existem vários parâmetros importantes a serem considerados ao selecionar um indutor.

• O Fator Q ou Fator de Qualidade mede a confiabilidade de um indutor em realizar seu trabalho em um circuito elétrico. Avalia a eficiência do indutor em uma frequência específica, avaliando seu desempenho. Um fator Q alto significa que o indutor é excelente em seu trabalho, garantindo que o circuito funcione com precisão em uma frequência específica.

• O Frequência Auto-Ressonante (SRF) ocorre quando um indutor não funciona corretamente. Em circuitos de radiofrequência (RF), é fundamental escolher um SRF superior à frequência na qual o circuito opera. Isso ocorre porque no SRF, tanto a indutância quanto o Fator Q tornam-se zero. Portanto, o indutor não ajudará o circuito em sua frequência auto-ressonante. O ideal é evitar usá-lo nessa frequência.

• Corrente de saturação é a quantidade máxima de corrente elétrica constante que um indutor pode suportar antes de perder eficácia. O núcleo de um indutor só pode conter uma certa quantidade de força magnética. Ao ultrapassar este limite, o indutor deixará de funcionar corretamente. Enquanto a Corrente Nominal é a quantidade máxima de corrente que pode ser enviada com segurança através de um indutor sem causar danos, a Corrente de Saturação é o limite. Neste ponto, o indutor irá falhar.

• Resistência CC (DCR) é como a resistência natural encontrada no fio indutor. Pense nisso como um pequeno resistor embutido no fio do indutor. Essa resistência é essencial a ser considerada ao projetar conversores CC-CC porque faz com que a energia elétrica se transforme em calor, causando perda de energia. Quanto maior o DCR, menos eficiente é o indutor na transferência de energia elétrica e mais calor (potência) é desperdiçado.
• Tolerância mede o quanto a “indutância” de um indutor pode divergir ou diferir da folha de dados. Quando há tolerância, significa que o indutor pode não funcionar exatamente como esperado. Essa diferença pode levar a uma mudança não intencional na frequência na qual se espera que o indutor funcione. Isto é particularmente importante para filtros de RF, que devem ser extremamente precisos. Portanto, a tolerância é crítica porque pode afetar o funcionamento de um circuito.

O que são conversores?
Os conversores CC para CC são como transformadores mágicos para eletricidade. Eles podem mudar um nível de energia elétrica para outro. Dispositivos eletrônicos, como chips de computador e transistores, precisam de quantidades específicas de eletricidade para funcionar corretamente. Às vezes, eles exigem mais voltagem e outras vezes menos.

Pense em um conversor buck como um redutor de potência, enquanto um conversor boost é como um amplificador de potência. Os conversores fazem com que os circuitos eletrônicos funcionem melhor, usando a eletricidade de forma mais eficiente, reduzindo quaisquer lacunas de energia e respondendo às mudanças na carga elétrica.

A escolha dos componentes ideais com base nos requisitos do circuito é importante para um dispositivo eficaz e eficiente. Freqüentemente, isso significa ajustar o circuito padrão para atender aos requisitos específicos de cada componente.

Os princípios de funcionamento de um conversor CC-CC
A operação de um conversor CC para CC é simples. Quando uma chave é ligada, o indutor (encontrado na entrada do circuito) permite a entrada de energia e a armazena como energia magnética. Quando a chave é desligada, o indutor libera a energia armazenada.

Selecionando um indutor para conversores CC-CC de veículos
Objetivo: demonstrar como escolher um indutor para um conversor CC-CC em um cenário da vida real.

O conversor CC-CC em veículos tem um papel significativo. Ele pega a energia de alta tensão da bateria do veículo e a transforma em energia de baixa tensão. Essa energia de baixa tensão opera recursos como as luzes do veículo, limpadores de pára-brisa e controles de janela. Isto se aplica a carros totalmente elétricos e híbridos.

Pode ser importante manter separadas as peças de alta e baixa tensão do veículo, especialmente se forem usadas de forma independente. O conversor usado pode diferir dependendo dos requisitos.

• Para aumentar ou diminuir a tensão, é usado um conversor buck-boost.
• Se a tensão precisar ser invertida, um conversor de bomba de carga será usado.

Esses conversores ajudam o sistema elétrico do veículo a funcionar de maneira suave e segura.

Em aplicações automotivas, a tensão elétrica padrão é de 48 volts, que deve ser convertida ou reduzida para diversos fins. Para ilustrar, vamos considerar o Circuito Integrado (CI) LM5007, que opera como um conversor buck CC para CC.

O regulador LM5007 é como uma ferramenta simples que pode alterar tensões altas de nove a 75 volts para tensões mais baixas. Funciona bem com fontes de energia de 12, 24 ou 48 volts, sejam essas fontes bem controladas ou instáveis.

Requisitos de concepção: os parâmetros estão abaixo, dos quais podemos derivar os demais.

Tensão de entrada = 48V
Tensão de saída = 12V
Corrente máxima de saída = 500mA
Frequência de comutação nominal = 380 kHz

Vamos definir a frequência de comutação através do resistor RON:

R_SOBRE = V_fora / 1,42 × 10^-10 F_sw
R_{LIGADO =} 12V _/ 1,42 × 10^-10 × 380 × 10³
R_SOBRE = 222 kW

Selecionar FSW = 380 kHz resulta em RON = 222 kΩ. Escolha um valor padrão de 200 kΩ para este projeto.

Para calcular o indutor buck (L1), a ondulação da corrente do indutor é:

∆I_{eu =} (V_EM –V_FORA)V_FORA /EU₀ F_sw V_EM
A corrente de ondulação do indutor pico a pico ΔIL é 50% x I_{FORA (máx.)}
eu₀ = (V_EM –V_FORA)V_FORA /∆EU_eu F_sw V_EM
eu₀ = 103µH
eu₀ é 103 µH, então podemos selecionar um valor de indutor padrão de 100 µH.

Vamos calcular o valor do resistor em série R_c:

R_c = 25mV×V_FORA / ∆I_L(min) ×V_REFERÊNCIA
Valor típico de V_REFERÊNCIA é 2,5V e ∆I_{L (mínimo)} é 88mA de acordo com a folha de dados, então…
R_c = 1,36Ω
Com base no valor calculado de R_c for 1,36Ω, selecione um valor padrão de 1 Ω.

A seguir, vamos selecionar o capacitor de saída para minimizar a ondulação capacitiva:

C_FORA = ∆I_eu / 8×F_SO ×∆V_COUT
ΔV_COUT é a ondulação de tensão no capacitor que é de 10mV.
C_FORA = 7,5 µF
C_FORA = 7,5 µF, então selecione um valor padrão de 15 µF para C_FORA com dielétrico X5R ou X7R e tensão nominal de 16 V ou superior.

Agora vamos calcular os resistores de realimentação, RFB1 e RFB2:

VOUT = VFB x (RFB2/RFB1 + 1), e como VFB = 2,5 V (conforme folha de dados) na regulação, a proporção de RFB2 para RFB1 é 3: 1. Selecione valores padrão de RFB1 = 1 kΩ e RFB2 = 3,01 kΩ. Outros valores podem ser escolhidos desde que a proporção 3:1 seja mantida.

RFB1 = 1 kΩ
RFB2 = 3,01 kΩ

Observação: Esses cálculos são adaptados especificamente para este IC e são aplicáveis ​​exclusivamente a este conversor. Cálculos separados serão necessários para outros modelos de conversores.

Formulários
Energia renovável: ao usar conversores CC para CC para sistemas renováveis, a energia deve permanecer suave, sem variações repentinas. Os conversores garantem que a energia seja estável. Eles também devem ser flexíveis e funcionar com diferentes tipos de fontes de energia, como painéis solares ou turbinas eólicas.

Dispositivos médicos: conversores CC para CC isolados são essenciais quando a segurança é uma preocupação. Eles ajudam a manter a potência de saída separada da eletricidade perigosa no lado de entrada.

No entanto, dependendo do dispositivo, às vezes são preferidos conversores não isolados. Isto é verdade para alimentar máquinas de raios X, onde a segurança é gerenciada de forma diferente. Esses conversores são aceitáveis ​​quando não há risco de misturar eletricidade com a potência de saída.

Iluminação inteligente: frequentemente usa dispositivos especiais para controlar a energia de forma eficiente, como LEDs. Esses dispositivos devem gerenciar o fluxo de eletricidade, proteger contra tensão e permitir fácil controle usando PWM (Modulação por Largura de Pulso). Eles também devem ter um design simples.

Para que isso ocorra, reguladores lineares, bombas de carga e conversores regulares baseados em interruptores são normalmente usados. Esses conversores agem como controladores para as luzes de LED, garantindo que elas funcionem e sejam facilmente gerenciadas.

Escolher o conversor ideal é como usar a ferramenta correta para o trabalho.

Conclusão
Ao considerar indutores usados ​​em conversores CC para CC, é possível consultar números gerais para descrever como eles funcionam. Porém, é fundamental ter em mente que esses números são como fotos tiradas em condições específicas. Eles podem não mostrar toda a história do desempenho de um indutor em todas as situações. Portanto, é vital levar em conta as mudanças de comportamento de cada indutor específico em diferentes situações.