§ 20

Buck-Konverter: Duty Cycle und Spulenstrom

Wie großer Welligkeit und Spitzenstrom bekommt die Spule in meinem Buck-Umrichter?

Antwort: Ein Buck-Converter senkt eine Gleichspannung, indem er einen Transistor schnell an und aus schaltet. Das Tastverhältnis bestimmt die Ausgangsspannung, und die Spule bestimmt, wie sehr der Strom auf und ab schwingt. Der Rechner zeigt den Wellenstrom und den Spitzenstrom, damit du den Sättigungsstrom der Spule und die Stromgrenze des Controllers prüfst, wenn du Fehler suchst oder eine Spule wechselst.

Formel

Duty cycle: D = U_ud / (U_ind · η)

Rippelstrøm: ΔI_L = (U_ind − U_ud) · D / (f_s · L)

Spidsstrøm i spolen: I_spids = I_ud + ΔI_L / 2

Ein Wellenstrom von 20–40 % des Ausgangsstroms ist das übliche Designziel (TI SLVA477).

Symbole und Einheiten in der Formel
Symbol	Bedeutung	Einheit
uind	Eingangsspannung	V
uud	Ausgangsspannung	V
iud	Ausgangsstrom	A
f_khz	Schaltfrequenz	kHz
l_uh	Spulen-Induktivität	µH
eta	Wirkungsgrad (geschätzt)	%
=	Ripple-Strom in der Spule (Spitze zu Spitze)	A
=	Duty Cycle	%
=	Spitzenstrom in der Spule	A
=	Welligkeit in Prozent des Ausgangsstroms	%

Gültigkeit und Quelle

Quelle: Texas Instruments SLVA477: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage · Fachanlage: Schalter-Mode-Stromversorgung

Gilt nicht, wenn

Gilt für Dauerbetrieb (der Spulenstrom wird nie null). Der Sättigungsstrom der Spule muss über dem Spitzenstrom liegen, und auch die Stromgrenze des Reglers muss darüber liegen. Überprüfe immer das Datenblatt des Reglers, das eigene Empfehlungen haben kann.

Rechenbeispiel

Die eigenen Standardwerte des Rechners sind eingesetzt. Die Zahlen sind mit genau der Formel berechnet, die das Werkzeug verwendet.

Sat ind

Eingangsspannung24 V
Ausgangsspannung5 V
Ausgangsstrom2 A
Schaltfrequenz500 kHz
Spulen-Induktivität10 µH
Wirkungsgrad (geschätzt)90 %

Geber

Ripple-Strom in der Spule (Spitze zu Spitze)0,88 A
Duty Cycle23,1 %
Spitzenstrom in der Spule2,44 A
Welligkeit in Prozent des Ausgangsstroms44 %

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Sådan bruger du den

Når en step-down-omformer fløjter, bliver varm eller går i strømbegrænsning, er spolen et af de første steder at kigge. Skal du skifte spolen, eller vil du forstå, hvorfor en anden værdi giver problemer, regner beregneren duty cycle, rippelstrøm og spidsstrøm ud efter TI's grundformler.

Schritt für Schritt

Indtast ind- og udgangsspænding, udgangsstrømmen og switchfrekvensen fra kontrollerens datablad.
Indtast spolens induktans og en anslået virkningsgrad, fx 90 %.
Duty cyclen er udgangsspændingen delt med indgangsspændingen gange virkningsgraden.
Rippelstrømmen er spændingsforskellen gange duty cyclen, delt med frekvens gange induktans.
Spidsstrømmen er udgangsstrømmen plus halvdelen af ripplen. Den skal ligge under spolens mætningsstrøm og kontrollerens strømgrænse.

Typische Fehler

At vælge spolen ud fra udgangsstrømmen alene. Det er spidsstrømmen, der skal under mætningsstrømmen.
At regne frekvensen i Hz, når feltet er i kHz.
At bruge en spole med samme induktans, men lavere mætningsstrøm eller højere modstand. Den bliver varm og mister induktans.
At glemme, at ripplen er størst ved den højeste indgangsspænding.

Beispiele aus dem Alltag

24 V til 5 V på et styreprint

Et styreprint laver 5 V til elektronikken ud af 24 V. Omformeren skifter med 500 kHz, leverer 2 A og har en 10 µH spole.

Eingangsspannung: 24 V
Ausgangsspannung: 5 V
Ausgangsstrom: 2 A
Schaltfrequenz: 500 kHz
Spulen-Induktivität: 10 µH
Wirkungsgrad (geschätzt): 90 %

Es bedeutet: Duty cyclen er 23,1 %, og rippelstrømmen er 0,88 A, altså 44 % af udgangsstrømmen. Det er lidt over de 20-40 %, TI anbefaler. Spidsstrømmen i spolen er 2,44 A.

Samme omformer med 15 µH

Du prøver en 15 µH spole i samme størrelse for at få ripplen ned.

Eingangsspannung: 24 V
Ausgangsspannung: 5 V
Ausgangsstrom: 2 A
Schaltfrequenz: 500 kHz
Spulen-Induktivität: 15 µH
Wirkungsgrad (geschätzt): 90 %

Es bedeutet: Rippelstrømmen falder til 0,59 A, eller 29 %, midt i det anbefalede område. Spidsstrømmen bliver 2,29 A. Tjek at spolen tåler den uden at gå i mætning.

En forkert reservedel

Efter en reparation går omformeren i strømbegrænsning ved fuld last. Kontrolleren begrænser ved 3 A. Det viser sig, at der er monteret en 4,7 µH spole.

Eingangsspannung: 24 V
Ausgangsspannung: 5 V
Ausgangsstrom: 2 A
Schaltfrequenz: 500 kHz
Spulen-Induktivität: 4,7 µH
Wirkungsgrad (geschätzt): 90 %

Es bedeutet: Rippelstrømmen bliver 1,87 A, og spidsstrømmen når 2,94 A. Det er helt oppe ved strømgrænsen på 3 A, så kontrolleren slår fra. Monter den rigtige spole.

Faustregel

Halv induktans eller halv switchfrekvens giver dobbelt rippelstrøm.

So überprüfst du die Antwort

Mål spolestrømmen med en strømprobe, eller mål spændingen over en lille shunt. Trekantens højde skal svare til rippelstrømmen.