Калькулятор дросселя buck

Пульсация пик-пик	0,6 А
Пиковый ток	2,3 А

Индуктивность для заданного размаха тока

Плата понижающего преобразователя с экранированным дросселем и лабораторными проводами

При включении верхнего ключа buck ток дросселя растёт, при выключении падает. Вокруг среднего значения остаётся пульсация. Её допустимый размах позволяет оценить необходимую индуктивность.

Калькулятор описывает идеальный buck в установившемся режиме положительного непрерывного тока, CCM. Входное напряжение больше выходного, а ток дросселя не достигает нуля ни в одной части периода. Введите два напряжения, частоту переключения, выходной ток и выбранную пульсацию. Ответ показывает L в микрогенри, размах тока пик-пик и его наибольшее значение за период.

Расчёт задаёт условие по индуктивности, а не выбирает готовую деталь. Он не учитывает падения напряжения на ключах, сопротивление обмотки, потери сердечника, допуск L и управление конкретного контроллера. Пуск, короткое замыкание и резкое изменение нагрузки также не являются установившимся режимом этой формы.

Пульсация задаётся от пика до пика

\Delta I_L=I_{\mathrm{out}}\frac{r}{100},\qquad I_{\mathrm{peak}}=I_{\mathrm{out}}+\frac{\Delta I_L}{2}

Процент r относится к полному размаху тока, а не к отклонению в одну сторону. При Iout = 2 А и r = 30% размах составляет 0,6 А. Треугольная пульсация располагается вокруг среднего тока 2 А: минимум равен 1,7 А, максимум 2,3 А. Было бы ошибкой считать её диапазоном от 1,4 до 2,6 А или назвать 0,6 А пиковым током.

В установившемся buck средний ток дросселя равен выходному току. Для сохранения положительного CCM его минимум Iout−ΔIL/2 должен быть больше нуля. Отсюда следует открытый диапазон 0 < r < 200%. При 200% ток касается нуля: это граница режима, которую форма объясняет как ошибку условий CCM. Нулевая пульсация также исключена; при ненулевой разности напряжений она потребовала бы неограниченной индуктивности.

Исходные 30% не являются обязательным стандартом или оптимумом всех контроллеров. Выбор зависит от размера детали, потерь, динамики и требований микросхемы. Пульсация тока в процентах не равна пульсации выходного напряжения.

Формула идеального buck и единицы

D=\frac{V_{\mathrm{out}}}{V_{\mathrm{in}}},\qquad L=\frac{V_{\mathrm{out}}(1-D)}{f_s\Delta I_L}

Коэффициент заполнения D задаёт долю периода, когда включён верхний ключ. На этом участке к дросселю приложено Vin−Vout; на оставшемся участке в идеальной модели −Vout. Равенство увеличения и уменьшения тока за период даёт D = Vout/Vin. Используя закон напряжения на индуктивности, получаем формулу L для выбранного размаха.

В СИ частота выражается в герцах, L в генри. Форма принимает килогерцы и выдаёт микрогенри, поэтому для её чисел L = 1000·Vout·(1−Vout/Vin)/(fs·ΔIL). Частота 500 кГц означает 500 000 переключений в секунду, а индуктивность 10 мкГн равна 0,00001 Гн.

Входы не округляются до стандартного ряда деталей. Шесть значащих цифр помогают сравнить вычисления, но не обещают точности дросселя. Малые ненулевые ответы сохраняются в научной записи.

Частота, нагрузка и близость границы CCM

Питание 5 В от источника 12 В. Пусть частота равна 500 кГц, выходной ток 2 А, пульсация 30%. Размах 0,6 А требует L ≈ 9,72222 мкГн. Пик составляет 2,3 А. Для независимой проверки D = 5/12, время включения около 0,833333 мкс; произведение 7 В на это время равно 5,83333 В·мкс. Деление на 0,6 А возвращает ту же индуктивность.

Удвоение частоты. Для прежних 12→5 В, 2 А и 30% увеличим частоту с 500 до 1000 кГц. Индуктивность уменьшается с 9,72222 до 4,86111 мкГн. Более короткий период требует меньшей L для того же изменения тока. Снижение потерь или температуры схемы из этого не следует.

Более высокое входное напряжение. При выходе 5 В, частоте 500 кГц, нагрузке 2 А и пульсации 30% заменим входные 12 В на 24 В. Получится L ≈ 13,1944 мкГн вместо 9,72222 мкГн. Размах и пик сохраняются заданными. Для одного выбранного дросселя повышение Vin, наоборот, увеличило бы размах: индуктивность не меняется автоматически вместе с источником.

Вдвое меньший размах. Для 12→5 В, 500 кГц и 2 А зададим 15% вместо 30%. Размах снизится с 0,6 до 0,3 А, требуемая индуктивность вырастет до 19,4444 мкГн, а пик станет 2,15 А. Выходная пульсация напряжения и достаточность корпуса здесь не рассчитываются.

Процент для другой нагрузки. Оставим 12→5 В и 500 кГц, но рассчитаем новый дроссель для выходного тока 1 А при прежних 30%. Размах теперь 0,3 А, L ≈ 19,4444 мкГн, пик 1,15 А. Если в существующей схеме оставить дроссель 9,72222 мкГн, уменьшение нагрузки само по себе не уменьшит идеальный размах до 0,3 А. Здесь изменилось условие проектирования, а не характеристика установленной детали.

Почти касание нулевого тока. Для 12→5 В, 500 кГц и 2 А математически допустимы 199%. Получаются L ≈ 1,46566 мкГн, размах 3,98 А и пик 3,99 А. Минимум составляет только 0,01 А. Это иллюстрация границы: допуски или изменение нагрузки могут нарушить условия расчёта. При 200% минимум был бы точно нулевым.

Что проверить после расчёта

Сравните найденную L с диапазоном, рекомендованным для контроллера, и характеристикой выбранного дросселя под постоянным током. Пиковый ток важен для насыщения и ограничителя тока; действующий ток и потери важны для нагрева. Энергия магнитного поля катушки описывает запас в выбранный момент, но не заменяет эти проверки и не является автоматически энергией, расходуемой за каждое переключение.

Не заменяйте расчёт пульсации синусоидальным реактивным сопротивлением катушки на частоте fs. Напряжение здесь переключается между двумя уровнями, а ток имеет треугольную составляющую. Выходной конденсатор решает отдельную задачу: его запас энергии, ёмкость, ESR и переходные требования не определяются только пятью полями формы.

Номинал детали и реальный режим преобразователя

После оценки индуктивности нужно различать расчётный размах, паспортные токи и режим управления. Одно число L не описывает поведение схемы во всех условиях.

Что происходит с тем же дросселем при малой нагрузке?

В идеальном CCM при фиксированных напряжениях, частоте и L размах остаётся прежним, а средний ток уменьшается. Для исходного размаха 0,6 А при нагрузке 1 А относительная пульсация составит 60%. При нагрузке 0,3 А она достигнет 200%, и минимум коснётся нуля. Ниже этой нагрузки положительный CCM уже не описывает режим. Синхронный контроллер может допускать отрицательный ток, но этот режим не входит в выбранную модель.

Как проверить номинал 10 мкГн вместо расчётных 9,72222 мкГн?

Для 12→5 В и 500 кГц вычислите размах обратно: ΔIL = Vout·(1−Vout/Vin)/(fs·L). При L = 10 мкГн получается 0,583333 А. Относительно нагрузки 2 А это 29,1667%, пик около 2,29167 А. Затем учитывают допуск и изменение L под током. Близость стандартного номинала не отменяет рекомендованный диапазон контроллера и его требования к устойчивости.

Чем действующий ток отличается от пикового?

Для треугольной пульсации вокруг постоянного Iout действующий ток равен √(Iout²+ΔIL²/12). При 2 А и размахе 0,6 А он составляет около 2,00749 А, тогда как пик равен 2,3 А. Действующий ток связан с нагревом сопротивления обмотки; пик нужен для оценки насыщения и ограничителя. Потери сердечника требуют дополнительных данных, и не сводятся только к одному из этих токов.

Достаточно ли тока насыщения выше показанного пика?

Самого сравнения недостаточно для полной проверки. Паспортный ток насыщения относится к заданному снижению индуктивности и условиям испытания. При запуске, перегрузке и работе ограничителя ток может отличаться от установившегося пика. Проверяйте характеристику L под током, температуру, допустимый нагрев и пределы контроллера. Калькулятор не задаёт универсальный запас и не моделирует эти переходы.

Можно ли добавить КПД и получить точную реальную индуктивность?

Один коэффициент КПД не восстанавливает падения напряжения на ключах и обмотке, длительность мёртвого времени или особенности управления. Реальный баланс напряжений на дросселе может отличаться от идеального. Для уточнения используют применимые уравнения и рекомендации конкретного контроллера. Простая замена D на произвольное отношение с КПД не превращает эту оценку в полный расчёт силовой части.

Какую частоту вводить при PFM или пакетах импульсов?

Форма предполагает устойчивые периодические переключения. Частота повторения пакетов не равна частоте переключений внутри пакета, а средняя частота в PFM может меняться с нагрузкой. Подстановка одного среднего числа не восстанавливает токовую форму таких режимов. Выберите условия постоянной частоты, к которым применим CCM, либо анализируйте фактическую последовательность импульсов отдельно.

Почему не рассчитывается пульсация выходного напряжения?

Она зависит от выходной ёмкости, ESR, паразитных элементов и переходных процессов. Даже одинаковый размах тока может давать разную пульсацию напряжения с разными конденсаторами. Требования при скачке нагрузки также отличаются от установившегося размаха. Без этих параметров ответ по L не является полной проверкой источника питания.

Есть что добавить?

Напишите своё мнение, комментарий или предложение.