§ 20

Buck-omformer: duty cycle og spolestrøm

Hvor stor rippelstrøm og spidsstrøm får spolen i min buck-omformer?

Svar: En buck-omformer sætter en jævnspænding ned ved at tænde og slukke en transistor hurtigt. Duty cyclen bestemmer udgangsspændingen, og spolen bestemmer, hvor meget strømmen svinger op og ned. Beregneren viser rippelstrømmen og spidsstrømmen, så du kan tjekke spolens mætningsstrøm og kontrollerens strømgrænse, når du fejlsøger eller skifter en spole.

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

En rippelstrøm på 20-40 % af udgangsstrømmen er det sædvanlige designmål (TI SLVA477).

Symboler og enheder i formlen
Symbol	Betydning	Enhed
uind	Indgangsspænding	V
uud	Udgangsspænding	V
iud	Udgangsstrøm	A
f_khz	Switchfrekvens	kHz
l_uh	Spolens induktans	µH
eta	Virkningsgrad (anslået)	%
=	Rippelstrøm i spolen (spids til spids)	A
=	Duty cycle	%
=	Spidsstrøm i spolen	A
=	Rippel i procent af udgangsstrømmen	%

Gyldighed og kilde

Kilde: Texas Instruments SLVA477: Basic Calculation of a Buck Converter's Power Stage · fagbilag: switch-mode power supply

Gælder ikke når

Gælder kontinuerlig drift (strømmen i spolen når aldrig nul). Spolens mætningsstrøm skal ligge over spidsstrømmen, og kontrollerens strømgrænse skal også ligge over den. Tjek altid kontrollerens datablad, som kan have sine egne anbefalinger.

Regneeksempel

Beregnerens egne standardværdier sat ind. Tallene er regnet med præcis den formel værktøjet bruger.

Sat ind

Indgangsspænding24 V
Udgangsspænding5 V
Udgangsstrøm2 A
Switchfrekvens500 kHz
Spolens induktans10 µH
Virkningsgrad (anslået)90 %

Giver

Rippelstrøm i spolen (spids til spids)0,88 A
Duty cycle23,1 %
Spidsstrøm i spolen2,44 A
Rippel i procent af udgangsstrømmen44 %

Kun for medlemmer

Selve beregneren er låst

Opret en gratis bruger for at låse op for alle artikler, beregnere, skabeloner og sortiment — og få adgang til quizzer og klasser. Det tager under et minut: navn, email og en adgangskode. Intet betalingskort.

Opret gratis bruger →Log ind

Vil du prøve noget først? Se hvad du kan bruge uden konto — junior-zonen, leksikonet, videoerne og mere.

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.

Trin for trin

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.

Typiske fejl

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.

Eksempler fra hverdagen

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.

Indgangsspænding: 24 V
Udgangsspænding: 5 V
Udgangsstrøm: 2 A
Switchfrekvens: 500 kHz
Spolens induktans: 10 µH
Virkningsgrad (anslået): 90 %

Det betyder: 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.

Indgangsspænding: 24 V
Udgangsspænding: 5 V
Udgangsstrøm: 2 A
Switchfrekvens: 500 kHz
Spolens induktans: 15 µH
Virkningsgrad (anslået): 90 %

Det betyder: 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.

Indgangsspænding: 24 V
Udgangsspænding: 5 V
Udgangsstrøm: 2 A
Switchfrekvens: 500 kHz
Spolens induktans: 4,7 µH
Virkningsgrad (anslået): 90 %

Det betyder: 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.

Tommelfingerregel

Halv induktans eller halv switchfrekvens giver dobbelt rippelstrøm.

Sådan tjekker du svaret

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